JP3772163B2

JP3772163B2 - コネクタ型光モジュール

Info

Publication number: JP3772163B2
Application number: JP2003202978A
Authority: JP
Inventors: 英人古山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-07-29
Filing date: 2003-07-29
Publication date: 2006-05-10
Anticipated expiration: 2023-07-29
Also published as: JP2005049389A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光配線等に用いるコネクタ型光モジュールに係わり、特に薄型化を図ったコネクタ型光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＬＳＩの飛躍的な動作速度向上に伴い、ＬＳＩ間を光で接続する光配線装置が幾つか提案されている。光配線は、直流から１００ＧＨｚ以上の周波数領域で損失等の周波数依存性が殆どなく、配線路の電磁障害や接地電位変動雑音も無いため、数十Ｇｂｐｓの配線が容易に実現できる。また、光配線は電気配線と異なり、配線の表皮効果が無いことから配線（光ファイバなど）を数十Ｇｂｐｓでも特に太くする必要が無い。従って、１０Ｇｂｐｓ以上の高速領域においては省スペースという点でも電気配線に対して有利となる。
【０００３】
この省スペース特性の端的な例として、非特許文献１に記載されているようなコネクタ（所謂ＭＴコネクタ）があり、最大１２芯の光ファイバが一つの光コネクタに収容可能である。また、ＭＴコネクタの拡張規格では、６０芯の光ファイバを１つのＭＴコネクタに収容可能である。このとき、光ファイバ１本当たりに１０Ｇｂｐｓの信号を通すと、非特許文献１に示されている断面積（３ｍｍ×７ｍｍ）で６００Ｇｂｐｓもの信号配線が可能になる。
【０００４】
これを、１０Ｇｂｐｓ伝送が可能な高周波同軸ケーブル（一般的に５ｍｍφ程度）で実現する場合、フラットケーブルで５ｍｍ×３００ｍｍ、三角格子配置ケーブルでも約１４００ｍｍ²といった配線断面積が必要となる。従って、上記した光配線は電気配線の１／６０といった省スペース化が達成されることになる。
【０００５】
このような光配線に用いるための光モジュール構成として、特許文献１〜３に記されているような構成が知られている。
【０００６】
特許文献１は、アレイ化光素子を前述のＭＴコネクタ（非特許文献１）に結合する機構として、ガイド穴付きファイバアレイを光コネクタの結合部分に備えている。このガイド穴付きファイバアレイは、ＭＴコネクタの先端部を切り出したものと同等の構成であり、言わば光半導体素子と光ファイバをつなぐ中継光ファイバである。中継光ファイバは光モジュールに固定され、ＭＴコネクタを突き合わせる際の機械的衝撃や応力から光半導体素子を保護する機能を持っている。
【０００７】
特許文献２は、光ファイバ先端を光半導体素子に直接接して光結合を行う例であり、ある程度の余長の光ファイバが常に光モジュールに固定され、固定された光ファイバの先端に光コネクタを有する形態のものである。特許文献３は、光半導体素子と光コネクタを直接結合させる例であり、光半導体素子と光コネクタ間の空隙による光干渉等を抑制するためのポリマーシートの導入が示されている。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−２０２４４０号公報
【０００９】
【特許文献２】
特開平６−２３７０１６号公報
【００１０】
【特許文献３】
特許第２９７０５４３号公報
【００１１】
【非特許文献１】
日本工業規格（ＪＩＳ）Ｃ５９８１
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この種の光配線用光モジュールにおいては、以下に示すような問題があった。
【００１３】
即ち、光配線の導入形態として、ボード間配線を光化するような場合、電気の同軸ケーブルやバックプレーン配線を光ファイバに置き換えることがサイズ的な面から比較的容易である。しかし、ＬＳＩ間配線を光化する場合、ＬＳＩパッケージ端子相当のスペースに光モジュールを組み込む必要があり、特許文献１で示したような光モジュールを単純に寄せ集めたような形態では実現が困難となる。
【００１４】
例えば、光インターフェースを要するようなＬＳＩは一般に高速動作を目的としており、その発熱量は非常に大きなものであることが多い。このため、ＬＳＩチップのローカルヒートシンク（又はヒートスプレッダ）が必要となることが多く、ＬＳＩチップ下部は実装ボード、ＬＳＩチップ上部はヒートシンクが配置される構成となる。このため、光配線用光モジュールは実装ボードとヒートシンクに挟まれた僅かな隙間に入るような薄型のモジュールであることが望ましい。薄型化の理想はＬＳＩチップの厚さ相当、例えば２００〜６００μｍ厚である。これは、最小値では光ファイバ素線（例えば１２５μｍφ）と光半導体素子（例えば１００μｍ厚）を単純積み上げしただけの厚さに相当し、現実的ではない。
【００１５】
次に、特許文献２のような所謂ピグテール型の場合、光モジュールの薄型化は比較的容易であるが、ＬＳＩパッケージから光ファイバ及び光コネクタがぶら下がる形態となり、ＬＳＩのボード実装時に光ファイバの余長部が邪魔になりやすく、光ファイバや光コネクタの破損も起こしやすい。また、光半導体素子と光ファイバが堅固に固定されており、熱膨張係数の差による応力や光ファイバへの張力等により光半導体素子の劣化や破壊を起こしやすいという問題もある。さらに、半田リフロー等の一括高温工程が適用できないなど、量産性や実用性に乏しい問題もある。
【００１６】
次に、特許文献３のような光半導体素子と光コネクタの直接接触型の場合、構成部材として光半導体素子とその支持体、及びポリマーシートのみで構成でき、極薄型化が可能である。ところが、光半導体素子がポリマーシートを挟んで光コネクタにより直接押されるため、光コネクタの押し込み力を適正に制御しなければ光半導体素子を破壊してしまう問題がある。
【００１７】
また、適当なスペーサを用いて間隙制御する場合、ポリマーシート厚と間隙の調整を的確に行わないと、光半導体素子を破損したり、ポリマーシート接触不良（空隙発生）による光干渉を生じたりする問題がある。さらに、一般にポリマーの熱膨張は大きく、適正な間隙に設定しても、高温若しくは低温でポリマーシートの接触圧過剰（光素子破損）や接触不良（光導通不良）を生じやすい。
【００１８】
本発明は、上記事情を考慮して成されたもので、その目的とするところは、光半導体素子と光コネクタを直接接触させる形式の光モジュールに改良を加え、薄型化と共に信頼性の向上をはかり得るコネクタ型光モジュールを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
（構成）
本発明の骨子は、光半導体素子と光コネクタ（光ファイバ）接触部に透明コンタクト樹脂を部分的に形成し、樹脂の周囲に自由空間を残すことで光コネクタ押圧に対する樹脂の変形を３次元的に行わせる。そして、樹脂の変形可能量を大きくすることで樹脂のクッション効果を高めるものである。
【００２０】
即ち本発明は、コネクタ型光モジュールにおいて、発光又は受光機能を有する光半導体素子の能動領域上に選択的に設けられた透明コンタクト樹脂と、光ファイバの先端が前記光半導体素子の表面と前記透明コンタクト樹脂の頂部との間に位置するように該ファイバの先端を位置決めする手段と、前記光ファイバの先端が前記光半導体素子の能動領域と位置整合するように該ファイバの先端を位置決めする手段と、を具備してなることを特徴とする。
【００２１】
また本発明は、発光又は受光機能を有する光半導体素子が実装された実装基板と、前記光半導体素子の能動領域上に選択的に設けられた透明コンタクト樹脂と、光ファイバを位置決め保持し、前記実装基板に機械的に位置決めして取り付けられる光コネクタとを具備してなるコネクタ型光モジュールにおいて、前記光ファイバの先端が前記光半導体素子の能動領域に位置整合するように、前記実装基板と光コネクタを光軸に垂直な方向に対して位置決めするガイド機構と、前記光ファイバの先端が前記光半導体素子の表面と前記透明コンタクト樹脂の頂部との間に位置するように、前記実装基板と光コネクタを光軸方向に対して位置決めする突き当て部とを設けたことを特徴とする。
【００２２】
ここで、本発明の望ましい実施態様としては次のものがあげられる。
【００２３】
(1) 透明コンタクト樹脂の形状が半球ドームであり、該半球ドームの頂部が光ファイバの先端との接触部となること。
【００２４】
(2) 光半導体素子の表面には酸化膜又は窒化膜による保護膜が形成されており、透明コンタクト樹脂としてシリコーン樹脂を用いたこと。
【００２５】
(3) 光ファイバの先端と光半導体素子の能動領域との位置整合（光軸と垂直方向の位置合わせ）のためのガイド機構として、光コネクタ側にガイドピンを設け、実装基板側にピン穴を設けたこと。
【００２６】
(4) 実装基板の上面側に凹部が設けられ、光半導体素子はこの凹部の底面に搭載され、半導体素子の上面は実装基板の上面よりも低く、透明コンタクト樹脂の頂部は実装基板の上面よりも高いこと。
【００２７】
(5) 光コネクタの下面は光ファイバの先端と面一であり、実装基板の上面と光コネクタの下面とが突き当てられること。
【００２８】
（作用）
本発明によれば、光半導体素子と光コネクタとの間にポリマーシート等を挟むのではなく、光半導体素子上に選択的に設けた透明コンタクト樹脂によって光半導体素子と光コネクタが部分的に接触しているのみであり、光コネクタの押し込み力は透明コンタクト樹脂の変形によって吸収される。従って、ポリマーシートを用いた場合のように光コネクタの押し込み力により光半導体素子を破壊するおそれが無くなり、薄型で信頼性の高いコネクタ型光モジュールを歩留まり良く実現することが可能となる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を図示の実施形態によって説明する。
【００３０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態の原理構成を示す概略断面図であり、１１は実装基板、１２はガイド穴、１３は光半導体素子、１４は透明コンタクト樹脂、１５は光コネクタフェルール（ＭＴコネクタフェルール）、１６は光ファイバ、１６ａは光ファイバコア、１７はガイドピンである。
【００３１】
光半導体素子１３は、ここでは例として面発光レーザ（VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser-diodes）の４素子アレイを表しているが、これは単素子でもよく、また受光素子（又はそのアレイ素子）であっても構わない。
【００３２】
実装基板１１は例えば樹脂基板であり、この基板１１の上面側には、光半導体素子搭載のための凹部が設けられている。ここで、凹部の深さは、光半導体素子１３を凹部の底面に搭載した際、光半導体素子１３の上面が実装基板１１の上面より僅かに引っ込むように設定しておく。これにより、光コネクタフェルール１５を実装基板１１の上面に突き当てても光コネクタフェルール１５や光ファイバ１６が、直接光半導体素子１３に当ることがなくなる。
【００３３】
また、透明コンタクト樹脂１４は、光半導体素子１３の表面全体に設けるのではなく、光半導体素子能動部（面発光レーザ発光部、受光素子受光部）上に選択的に設け、その頂部が実装基板１１の上面より僅かに飛び出すように形成する。これにより、光コネクタフェルール１５を実装基板１１の上面に突き当てた際には、光ファイバ１６が透明コンタクト樹脂１４と接触することになる。
【００３４】
図２に、実装基板１１の上面図と、断面図（Ａ−Ａ’及びＢ−Ｂ’）を示す。図中、１３ａは素子電極、１３ｂは素子能動部、１８は駆動ＩＣ（ドライバ，レシーバ）、１９はボンディングワイヤである。透明コンタクト樹脂１４は、シリコーン樹脂，アクリル樹脂，エポキシ樹脂，又はポリイミド樹脂等の樹脂（透明）をディスペンサ等で選択塗布すれば、図に示すような半球ドーム型形状が得られ、光コネクタフェルール１５との接触が容易になる。これを、図３によって説明する。
【００３５】
図３は、透明コンタクト樹脂１４と光ファイバ１６との接触状況を示したものであり、（ａ）は接触前、（ｂ）は接触後の状態を表している。光半導体素子１３は、例えばＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系ＶＣＳＥＬ（発振波長約０．８５μｍ）とし、１３ｂのレーザ発振部（能動領域）を中心として透明コンタクト樹脂１４を設ける。透明コンタクト樹脂１４は、加圧による弾性変形量を大きくとり易いシリコーン樹脂が適しており、シリコーンゴムなどでは比較的容易に１００％程度の伸び率が得られる。但し、シリコーン樹脂は透湿性が高く、ガスバリア性が低いのが一般的であり、素子の信頼性保持のため、光半導体素子１３の表面には酸化膜又は窒化膜による保護膜を設けておくことが望ましい。
【００３６】
透明コンタクト樹脂１４の大きさとして、例えば光ファイバ１６のコア径が５０μｍ、開口数ＮＡが０．２１の場合、半球ドーム下面の直径を１２０μｍ、半球ドーム頂部の高さを６０μｍとなるように形成する。そして、光ファイバ接触後の高さが４０μｍとなるように実装基板１１の段差及び光半導体素子１３の厚さを設定しておく。このとき、透明コンタクト樹脂１４の形状が半球ドーム型であるため、光ファイバ１６との接触面積は光ファイバ押し込み量に対して急激に増える。これは、半球面の断面積が増えるだけでなく、光ファイバ１６の押し込みにより外周方向に押し出すように変形された樹脂が反発して光ファイバ１６を押し返そうとし、益々光ファイバ１６に接触してくる効果が含まれるためである（図３（ｂ））。
【００３７】
従って、本実施形態のコネクタ型光モジュールでは、比較的小さな加圧により十分な接触面積が得られ、光半導体素子１３と光コネクタフェルール１５とを直接対向させる形式にも拘わらず、光半導体素子１３に過剰な外力を加えずに直接接触を実現できる。また、透明コンタクト樹脂１４の位置精度は、光半導体素子１３と光ファイバ１６との相対位置が精度良く合わせてあれば、数μｍ程度でも十分である。即ち、透明コンタクト樹脂１４の位置が数μｍずれても光ファイバ１６と透明コンタクト樹脂１４との接触面積に大きな変化はなく、また、必要な光路（５０μｍφ）に比して接触部が十分大きく取れる（例えば９０μｍφ）ため、数μｍの位置誤差は問題にならない。
【００３８】
（第２の実施形態）
以上では、ＭＴコネクタのような標準コネクタに適用する例で原理的な構成を示してきた。しかしながら、本発明の本領は、非常に厚さの薄い光モジュールが実現できる処にあり、その具体例を図４に示す。図４（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係わるコネクタ型光モジュールの構成を示した断面図であり、図中の２１〜２９は図１及び図２中の１１〜１９に対応している。
【００３９】
本実施形態は、光ファイバ２６を透明光コネクタフェルール２５に固定し、端部を４５°研磨加工した光路直角変換型光モジュールの例である。光コネクタフェルール２５に対し光ファイバ２６は横方向から挿入されている。光コネクタフェルール２６の一部は切欠されており、これにより光ファイバ２６の先端部の下面が露出している。そして、この下面の露出部分が実装基板２１及び透明コンタクト樹脂２４に当接するようになっている。
【００４０】
なお、ここでは、実装基板２１と光コネクタフェルール２５の位置関係を規定するガイドピンを省略してあるが、図の縦方向にガイドピンを通して位置決めする、或いは実装基板２１と光コネクタフェルール２５に作り付けた噛合せ機構により位置決めされるものとする。
【００４１】
図４（ｂ）は、図４（ａ）に示した本実施形態のコネクタ型光モジュールを結合状態としたときの断面構成図である。このとき、駆動ＩＣ２８の基板厚を３００μｍ、実装基板２１の凹部厚さを１８０μｍ、光半導体素子２３の基板厚を１００μｍ、透明コンタクト樹脂２４の高さを６０μｍ、実装基板２１の凸部厚さを３２０μｍとすれば、前記した図１の実施形態と同様な光学的位置関係となる。但し、光ファイバ２６のクラッド厚さ分だけ光結合距離が長くなるため、その考慮は必要である。そして、光ファイバ２６（外径１２５μｍ）と光コネクタフェルール２５（例えば光ファイバ上部厚５０μｍ）の厚さを合計し、約５００μｍ厚の光モジュールが実現する。
【００４２】
前述したように、このような薄型光モジュールであれば、ＬＳＩ裏面のヒートシンクとインターポーザ基板の間に光インターフェースを実装することが可能となり、電気端子の代わりに光端子を設けるというような感覚で光配線パッケージを構築することができる。また、放熱のためＬＳＩチップを２５０μｍ程度に薄く加工した場合でも、インターポーザ基板に僅かなキャビティ（掘り込み）加工（例えば３００μｍ）を施すだけで、ヒートシンクとインターポーザ基板の間に光インターフェースを実装することが可能となる。
【００４３】
（第３の実施形態）
図５は、上記した各実施形態の改良に関するものであり、光半導体素子の基板厚の誤差などによらず、光半導体素子の表面と光ファイバ端面の距離を常に一定に保つように工夫した実施形態である。
【００４４】
図５において、３１〜３９は前記図２中の１１〜１９に対応している。また、図中の４０はＴＡＢ（Tape Automated Bonding）テープ、４１はＴＡＢテープの金属配線によるバンプリード、４２は埋め込みモールド樹脂（エポキシ樹脂等）であり、ＴＡＢテープ４０の光半導体素子３３上に設ける透明コンタクト樹脂３４の形成部分は予め穴が開けてある。さらに、実装基板３１の光半導体素子搭載部分にも予め穴が開けてある。
【００４５】
この実施形態では、まずＴＡＢテープ４０に光半導体素子３３の能動領域側を接触させて搭載した後、光半導体素子能動部上に透明コンタクト樹脂４４を形成する。次に、ＴＡＢテープ４０を実装基板３１に光半導体素子３３の位置を合わせて搭載した後、光半導体素子３３が位置する部分にモールド樹脂４２を埋め込み、光半導体素子３３をモールド固定する。最後に、バンプリード４１を駆動ＩＣ３８のパッドにボンディング（熱圧着、超音波ボンディング等）固定する。
【００４６】
ここで、透明コンタクト樹脂３４の高さを６０μｍ、ＴＡＢテープ４０の厚さを４０μｍというように設定すれば、光半導体素子３３の基板厚が数１０μｍずれる場合でも、前述の実施形態と同様な光コンタクト関係が実現できる。また、この実施形態では、テープキャリアプロセスにより大量生産が可能という利点も持っている。
【００４７】
（変形例）
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではない。例えば、実装基板の材料としては、セラミック，金属，樹脂材料等の材料を、電気特性，熱特性，機械特性などを考慮して決定すればよいものである。また、光半導体素子は受光素子であっても同様に実施可能なことは既に述べたが、上記した実施形態とは異なる材料系の光半導体素子を用いても構わないのは勿論のことである。
【００４８】
実施形態では、光ファイバの先端が光半導体素子の表面と透明コンタクト樹脂の頂部との間に位置するように、実装基板に素子搭載のための凹部を設けたが、この代わりに光コネクタと当接する凸部を実装基板に設けるようにしてもよい。凸部の高さが光半導体素子の基板厚よりも僅かに高いものであれば、凹部を設けた場合と同様の効果が得られる。また実施形態では、光ファイバの先端が光半導体素子の能動領域と位置整合するようにガイドピン及びガイド穴を設けたが、これらに限られず、光軸方向と垂直方向に対して位置決めできるガイド機構であればよい。
【００４９】
その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、各種の変形実施が可能なものである。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、非常に薄型で単純構成のコネクタ型光モジュールが実現可能となり、ＬＳＩチップ間配線のように省スペース実装が必須となるような実装にも光技術の導入を可能とし、それによる各種情報通信機器の大幅な性能向上を促進するという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係わるコネクタ型光モジュールの概略構成を示す断面図。
【図２】第１の実施形態に係わるコネクタ型光モジュールの概略構成を示す平面図と断面図。
【図３】第１の実施形態におけるコネクタ型光モジュールの動作原理を説明するための模式図。
【図４】第２の実施形態に係わるコネクタ型光モジュールの概略構成を示す断面図。
【図５】第３の実施形態に係わるコネクタ型光モジュールの概略構成を示す断面図。
【符号の説明】
１１，２１，３１…光素子実装基板
１２，３２…ガイド穴
１３．２３．３３…光半導体素子
１４，２４，３４…透明コンタクト樹脂
１５，２５，３５…光コネクタフェルール
１６，２６，３６…光ファイバ
１７，３７…ガイドピン
１８，２８，３８…駆動ＩＣ
１９，２９，３９…ボンディングワイヤ
４０…ＴＡＢテープ
４１…バンプリード
４２…モールド樹脂

Claims

発光又は受光機能を有する光半導体素子の能動領域上に設けられた半球ドーム形状の透明コンタクト樹脂と、
光ファイバの先端が前記透明コンタクト樹脂の頂部と接触するように該ファイバの先端を光軸方向に位置決めする手段と、
前記光ファイバの先端が前記光半導体素子の能動領域と位置整合するように該ファイバの先端を光軸と垂直方向に位置決めする手段と、
を具備してなることを特徴とするコネクタ型光モジュール。
発光又は受光機能を有する光半導体素子が実装された実装基板と、
前記光半導体素子の能動領域上に設けられた半球ドーム形状の透明コンタクト樹脂と、
光ファイバを位置決め保持し、前記実装基板に機械的に位置決めして取り付けられる光コネクタとを具備してなり、
前記実装基板と光コネクタは、前記光ファイバの先端が前記光半導体素子の能動領域に位置整合するように、ガイド機構により光軸方向と垂直方向に対して位置決めされ、且つ前記光ファイバの先端が前記光半導体素子の表面と前記透明コンタクト樹脂の頂部との間に位置するように、突き当て部により光軸方向に対して位置決めされることを特徴とするコネクタ型光モジュール。
前記光半導体素子の表面には酸化膜又は窒化膜による保護膜が形成されており、前記透明コンタクト樹脂としてシリコーン樹脂を用いたことを特徴とする請求項１又は２記載のコネクタ型光モジュール。