JP5065061B2

JP5065061B2 - 光モジュール

Info

Publication number: JP5065061B2
Application number: JP2008007439A
Authority: JP
Inventors: 秀行那須; 陽三石川
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 2008-01-16
Filing date: 2008-01-16
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2028-01-16
Also published as: JP2009170674A

Description

本発明は、光モジュール、特に、ボード間光伝送システムや装置間（筐体間）光伝送システムに用いられ、並列に配置された複数の光ファイバ（複数のチャネル）で光信号を並列伝送する並列光モジュールとしての光モジュールに関する。

従来、複数の発光素子と、複数の発光素子を駆動する電子半導体チップ（ＩＣ）とをケース内に収容して一体化した光モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、複数のレーザダイオード或いは複数のフォトダイオードと、ＩＣ（各レーザダイオードを駆動するドライバＩＣ或いは各フォトダイオードの出力を処理する増幅用ＩＣ）とを収容してケース内に一体化した光モジュールが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
特開２００２−２６１３７２号公報岡安俊幸，"メモリテストシステムにおける高密度インターコネクション"，第二回シリコンアナログＲＦ研究会，2004/8/2

ところで、上記特許文献１や非特許文献１に開示された従来の光モジュールでは、ＩＣで発熱した熱を外部へ効率よく逃がすのが難しいという問題があった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みて為されたもので、その目的は、電子素子で発生した熱を外部へ効率よく逃がすことのできる光モジュールを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明に係る光モジュールは、表面に電極パターンを有する基板と、前記基板の電極パターン上に実装された複数の光素子と、前記基板の電極パターン上に実装され、前記複数の光素子と電気的に接続された電子素子と、複数の光ファイバを保持し、前記複数の光ファイバと前記複数の光素子とがそれぞれ光結合する位置で前記基板に固定される光コネクタ部と、前記光コネクタ部を装着するための開口部を有し、前記複数の光素子と前記電子素子を含む部品全体を覆うように前記基板に固定されるカバーと、を備え、前記光コネクタ部は、前記電子素子に対向する部分を含む少なくとも一部が熱伝導材料で構成され、さらに、前記電子素子が前記基板の電極パターン上にフリップチップ実装されていることを特徴とする。

この構成によれば、光コネクタ部の少なくとも一部を熱伝導材料で構成しているので、電子素子で発生した熱は、光コネクタ部の熱伝導材料で構成した部分に伝導し、外部へ放熱される。これにより、電子素子で発生した熱を外部へ効率よく逃がすことができる。なお、ここにいう「複数の光ファイバと複数の光素子とがそれぞれ光結合する位置」は、複数の光ファイバの各一端部の中心（コア中心）と複数の光素子の各光出射部或いは光受光部の中心とが一致する位置をいう。

請求項２に記載の発明に係る光モジュールは、前記光コネクタ部の少なくとも一部を構成する前記熱伝導材料は、金属であることを特徴とする。

請求項３に記載の発明に係る光モジュールは、前記金属は、ＣｕとＷの合金であることを特徴とする。

この構成によれば、ＣｕとＷの合金は熱伝導率が非常に高いので、電子素子で発生した熱を、光コネクタ部のその合金で構成された部分を介して外部へ効率よく逃がすことができる。

請求項４に記載の発明に係る光モジュールは、前記光コネクタ部の前記基板の表面と対向する一端面では、前記複数の光ファイバの各一端部が整列して前記複数の光素子と対向しており、前記光コネクタ部の前記一端面とは反対側の他端面では、前記複数の光ファイバの各他端部が整列していることを特徴とする。

請求項５に記載の発明に係る光モジュールは、前記光コネクタ部と前記カバーの開口部との間の隙間には、樹脂封止剤或いは接着剤が充填されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明に係る光モジュールは、前記カバーは熱伝導材料で構成されていることを特徴とする。

この構成によれば、電子素子で発生した熱を、熱伝導材料で構成されたカバーを介して外部へ効率よく逃がすことができる。

請求項７に記載の発明に係る光モジュールは、前記電子素子と前記光コネクタ部との間および前記電子素子と前記カバーとの間の隙間には、熱伝導性と絶縁性を有する封止剤が充填されていることを特徴とする。

この構成によれば、カバーと電子素子との間の空間に、熱伝導性と絶縁性を有する封止剤が充填されているので、電子素子で発生した熱を、封止剤および光コネクタ部を介して外部へ効率よく逃がすことができる。

請求項８に記載の発明に係る光モジュールは、前記光素子としての複数の面発光型半導体レーザ素子と、前記複数の面発光型半導体レーザ素子を駆動する前記電子素子としてのドライバＩＣとを備え、前記複数の面発光型半導体レーザ素子からそれぞれ出射される光信号を前記複数の光ファイバを介して外部へ並列伝送する送信側光モジュールとして構成したことを特徴とする。

請求項９に記載の発明に係る光モジュールは、前記光素子としての複数のフォトダイオード素子と、前記フォトダイオード素子の出力電流を電圧に変換して増幅する機能を有する前記電子素子としての増幅用ＩＣとを備え、外部から前記複数の光ファイバを介して並列伝送された光信号を前記複数のフォトダイオード素子で受光して電気信号に変換する受信側光モジュールとして構成したことを特徴とする。
請求項１０に記載の発明に係る光モジュールは、前記面発光型半導体レーザ素子または前記フォトダイオード素子を有するレーザダイオードアレイまたはフォトダイオードアレイを備え、前記基板は表面に凹部を有し、前記レーザダイオードアレイまたは前記フォトダイオードアレイは、前記基板の凹部に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、電子素子で発生した熱を外部へ効率よく逃がすことのできる光モジュールを実現することができる。

次に、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態の説明において同様の部位には同一の符号を付して重複した説明を省略する。
（参考例）
参考例の光モジュールを図１乃至図５に基づいて説明する。

図１は参考例の光モジュールの概略構成を示す縦断面図である。図２（Ａ）は光モジュール全体を示す斜視図、図２（Ｂ）はその光モジュールに用いる複数の光ファイバの１本を示す拡大図、図２（Ｃ）はその光モジュールに用いるレーザーダイオードアレイとドライバＩＣの接続関係を示す平面図である。図３は光モジュールの概略構成を示す分解斜視図、図４は光モジュールの光コネクタ部を示す斜視図、図５はその光モジュールの光コネクタ部に外部のコネクタ（多心用のフェルール型コネクタ）を装着した状態を示す斜視図である。

参考例の光モジュール１０は、図１、図２（Ａ）および図３に示すように、基板１１と、光コネクタ部１２と、カバー１３と、ガイドピン３２とを備えている。基板１１は、セラミックス基板であり、その表面１１ａに電極パターン(図示省略)を有する。基板１１の電極パターン上には、一列に整列して実装された複数の光素子と、複数の光素子と電気的に接続された電子素子と、を備える。本参考例では、複数の光素子は、一列に整列された複数の面発光型半導体レーザ素子（光素子）を有するレーザーダイオードアレイ１４で構成されている。図２（Ｃ）で符号１４ａは、レーザーダイオードアレイ１４における複数の面発光型半導体レーザ素子の各光出射部（開口部）を示している。光素子としての面発光型半導体レーザ素子は、基板面に垂直な方向に光（光信号２３）を出射するＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）である。また、電子素子は、レーザーダイオードアレイ１４の複数の面発光型半導体レーザ素子を駆動するドライバＩＣ１５である。

レーザーダイオードアレイ１４およびドライバＩＣ１５は、基板１１の表面１１ａの電極パターン上に、例えばダイアタッチ剤で接着されて実装されている。レーザーダイオードアレイ１４の複数の面発光型半導体レーザ素子とドライバＩＣ１５は、図２（Ａ）および図２（Ｃ）に示すように、複数のワイヤ２２でそれぞれ電気的に接続されている。これにより、ドライバＩＣ１５からレーザーダイオードアレイ１４の複数の面発光型半導体レーザ素子には、ワイヤ２２を介して変調信号が入力され、各面発光型半導体レーザ素子から変調信号により変調された光信号２３が出射されるようになっている。また、ドライバＩＣ１５と基板１１の電極パターンとは、複数のワイヤ（図示省略）で電気的に接続されている。

光コネクタ部１２は、図４に示すように、複数の光ファイバ１６を一列に（図１で紙面に垂直な方向に）整列させて保持している。この光コネクタ部１２は、複数の光ファイバ１６の各一端部１６ａの中心（コア中心）とレーザーダイオードアレイ１４の複数の面発光型半導体レーザ素子の各光出射部１４ａの中心とが一致するようにアクティブ調芯した後、基板１１の表面１１ａ上に固定される。これにより、レーザーダイオードアレイ１４の各面発光型半導体レーザ素子からの出射光（光信号２３）は、複数の光ファイバ１６の対応する光ファイバの一端部１６ａにそれぞれ光結合するようになっている。

また、光コネクタ部１２は左右の側壁部１７を有する。両側壁部１７の下端面１７ａ（図４参照）が基板１１の表面１１ａとそれぞれ摺動可能に接している。複数の光ファイバ１６の各一端部１６ａの中心とレーザーダイオードアレイ１４の各光出射部の中心とが一致するように、光コネクタ部１２を基板１１の表面１１ａ内で二次元的に動かしてアクティブ調芯した後、光コネクタ部１２の両側壁部１７の下端面１７ａを基板１１の表面１１ａに接着等により固定する。

さらに、光コネクタ部１２は、図４に示すように、複数の光ファイバ１６が嵌合する一列に整列した複数のファイバ保持孔１２ａと、これらのファイバ保持孔１２ａの両側に設けられた２つのガイドピン孔１２ｂとを有する。２つのガイドピン孔１２ｂに、２つのガイドピン３２がそれぞれ嵌合可能になっている。

２つのガイドピン３２には、図５に示す外部のコネクタである多心用のフェルール型コネクタ（以下、ＭＴコネクタという。）３０の２つの貫通孔がそれぞれ嵌合可能になっている。ＭＴコネクタ３０の２つの貫通孔を２つのガイドピン３２にそれぞれ嵌合させることにより、ＭＴコネクタ３０に保持された多心光ファイバ（多心テープ光ファイバ）３１の各光ファイバの中心（コア中心）と、光コネクタ部１２に保持された複数の光ファイバ１６の各中心（コア中心）とが一致した状態で、ＭＴコネクタ３０が図５に示すように光コネクタ部１２に装着されるようになっている。

カバー１３は、図１、図２（Ａ）および図３に示すように、光コネクタ部１２を装着するための開口部１３ａを有し、レーザーダイオードアレイ１４、ドライバＩＣ１５などの部品全体を覆うように基板１１に接着等により固定される。このカバー１３は、熱伝導率の高い材料（熱伝導材料）、例えばＣｕ（銅）とＷ（タングステン）の合金で作製されている。

光モジュール１０の特徴は、図１に示すように、光コネクタ部１２の少なくとも一部が熱伝導率の高い材料（熱伝導材料）で構成されている点にある。本参考例では、光コネクタ部１２は、レーザーダイオードアレイ１４の近傍に配置されるドライバＩＣ１５に対向する部分（熱伝導部）１２Ａが熱伝導率の高い材料で構成されている。この材料は、金属やカーボンフィラー混合樹脂等である。その材料として、例えば熱伝導率の高いＣｕ（銅）とＷ（タングステン）の合金を用いるのが好ましい。なお、光コネクタ部１２のその他の部分１２Ｂは、樹脂で構成されている。このように、光コネクタ部１２は、熱伝導率の高い材料で構成された熱伝導部１２Ａと、樹脂で構成された部分１２Ｂとを有する。この光コネクタ部１２は、例えばインサートモールドにより作製可能である。

光コネクタ部１２の基板１１の表面１１ａと対向する一端面１２ｃでは、図３および図４に示すように、複数の光ファイバ１６の各一端部１６ａが一列に整列して、レーザーダイオードアレイ１４の各光出射部１４ａとそれぞれ対向している。また、光コネクタ部１２の一端面１２ｃとは反対側の他端面１２ｄでは、複数の光ファイバ１６の各他端部１６ｂが一列に整列している。

また、光コネクタ部１２の側面とカバー１３の開口部１３ａとの間の隙間には、図１に示すように樹脂封止剤或いは接着剤等の樹脂１８が充填されている。また、基板１１の表面１１ａおよびこの表面に実装された部品と、カバー１３との間のギャップ（空間）には、熱伝導性と絶縁性を有する封止剤が充填されている。具体的には、カバー１３とドライバＩＣ１５との間の空間および光コネクタ部１２の熱伝導部１２ＡとドライバＩＣ１５との間の空間には、熱伝導性と絶縁性を有するシリコーンゲル１９が封止剤として充填されている。また、複数の光ファイバ１６の一端部１６ａとレーザーダイオードアレイ１４の各光出射部１４ａとの間の空間には、透明なシリコーンゲル２０が封止剤として充填されている。

このような構成を有する光モジュール１０では、ドライバＩＣ１５で発生した熱は、図１の白い矢印４０で示す経路で、まずシリコーンゲル１９へ伝導し、さらにシリコーンゲル１９から光コネクタ部１２の熱伝導部１２Ａへ伝導し、外部へ放熱される。これと同時に、ドライバＩＣ１５で発生した熱は、図１の黒い矢印４１で示す経路で、まずシリコーンゲル１９へ伝導し、さらにシリコーンゲル１９から熱伝導率の高い材料で構成されたカバー１３へ伝導し、外部へ放熱される。
以上のように構成された参考例によれば、以下の作用効果を奏する。

○光コネクタ部１２は、ドライバＩＣ１５に対向する部分が熱伝導率の高い材料（熱伝導材料）で構成された熱伝導部１２Ａで構成されている。このため、ドライバＩＣ１５で発生した熱は、光コネクタ部１２の熱伝導部１２Ａに伝導し、外部へ放熱される。これにより、ドライバＩＣ１５で発生した熱を外部へ効率よく逃がすことができる。

○光コネクタ部１２の熱伝導率の高い材料で構成された熱伝導部１２ＡとドライバＩＣ１５との間の空間に、熱伝導性と絶縁性を有するシリコーンゲル１９が封止剤として充填されているので、ドライバＩＣ１５で発生した熱を、シリコーンゲル１９および光コネクタ部１２を介して外部へ効率よく逃がすことができる。

○カバー１３は、熱伝導率の高い材料、例えばＣｕ（銅）とＷ（タングステン）の合金で作製されていると共に、カバー１３とドライバＩＣとの間の空間にシリコーンゲル１９が充填されているので、ドライバＩＣ１５で発生した熱を、シリコーンゲル１９およびカバー１３を介して外部へ効率よく逃がすことができる。
（第１実施形態）
第１実施形態に係る光モジュール１０Ａを図６（Ａ），（Ｂ）および図７に基づいて説明する。

上記参考例では、ドライバＩＣ１５を基板１１の電極パターン上にワイヤボンディング実装している。これに対して、第１実施形態に係る光モジュール１０Ａでは、図６（Ａ），（Ｂ）および図７に示すように、ドライバＩＣ１５を基板１１の電極パターン上にフリップチップ実装している。また、この光モジュール１０Ａでは、レーザーダイオードアレイ１４を、基板１１に設けた凹部１１ｃ内に配置している。そして、レーザーダイオードアレイ１４の複数の面発光型半導体レーザ素子とドライバＩＣ１５が接続された複数の配線（電極パターンの一部）とが、ワイヤ２２でそれぞれ電気的に接続されている。

このような構成を有する第１実施形態に係る光モジュール１０Ａにおいて、上記参考例の光モジュール１０と同様に、光コネクタ部１２の少なくとも一部を熱伝導率の高い材料（熱伝導材料）で構成する。

第１実施形態に係る光モジュール１０Ａによれば、上記参考例の奏する作用効果に加えて、以下の作用効果を奏する。

ドライバＩＣ１５を基板１１の電極パターン上にフリップチップ実装しているため、ドライバＩＣ１５と基板１１の電極パターンとを接続する複数のワイヤが不要になる。これにより、ドライバＩＣ１５とカバー１３との間の隙間をより小さくすることができるので、ドライバＩＣ１５で発生した熱をシリコーンゲル１９およびカバー１３を介して外部へ更に効率よく逃がすことができる。

なお、この発明は以下のように変更して具体化することもできる。
・上記参考例では、送信側光モジュールとして構成した光モジュール１０，１０Ａについて説明したが、本発明はこれに限定されない。光モジュール１０，１０Ａにおいて、レーザーダイオードアレイ１４に代えて一列に整列された複数のフォトダイオード素子（光素子）を有するフォトダイオードアレイを用いる。そして、ドライバＩＣ１５に代えて、各フォトダイオードの出力電流を電圧に変換して増幅するTIA（Transimpedance Amplifier）機能を備えた増幅用ＩＣを用いて受信側光モジュールとして構成した光モジュールにも本発明は適用可能である。

・また、レーザーダイオードアレイ１４に代えて、複数の面発光型半導体レーザ素子（光素子）が一列に整列されて実装された光モジュール、或いは、フォトダイオードアレイに代えて複数のフォトダイオード（光素子）が一列に整列されて実装された光モジュールにも本発明は適用可能である。

・上記各実施形態では、光コネクタ部１２の一部（ドライバＩＣ１５に対向する部分）を熱伝導率の高い材料で作製した熱伝導部１２Ａで構成したが、光コネクタ部１２全体を熱伝導率の高い材料で作製した構成にも本発明は適用可能である。

・上記各実施形態では、熱伝導率の高い材料として、Ｃｕ（銅）とＷ（タングステン）の合金を一例として挙げたが、本発明はこれに限定されず、他の金属或いは熱伝導率の高い樹脂材料を用いた構成にも本発明は適用可能である。

参考例の光モジュールの概略構成を示す縦断面図。（Ａ）は光モジュール全体を示す斜視図、（Ｂ）はその光モジュールに用いる複数の光ファイバの１本を示す拡大図、（Ｃ）はその光モジュールに用いるレーザーダイオードアレイとドライバＩＣの接続関係を示す平面図。光モジュールの概略構成を示す分解斜視図。光モジュールの光コネクタ部を示す斜視図。光モジュールの光コネクタ部に外部のコネクタを装着した状態を示す斜視図。（Ａ）は第１実施形態に係る光モジュール全体を示す斜視図、（Ｂ）は光モジュールの主要部を示す斜視図。第１実施形態に係る光モジュールの概略構成を示す縦断面図。

符号の説明

１０，１０Ａ：光モジュール
１１：基板
１１ａ：表面
１２：光コネクタ部
１２ｃ：一端面
１２ｄ：他端面
１２Ａ：熱伝導部
１３：カバー
１４：レーザーダイオードアレイ
１５：ドライバＩＣ（電子素子）
１６：光ファイバ
１６ａ：一端部
１８：樹脂封止剤或いは接着剤等の樹脂
１９：熱伝導と絶縁性を有するシリコーンゲル（封止剤）
２２：ワイヤ
２３：光信号
３０：多心用のフェルール型コネクタ（ＭＴコネクタ）

Claims

表面に電極パターンを有する基板と、
前記基板の電極パターン上に実装された複数の光素子と、
前記基板の電極パターン上に実装され、前記複数の光素子と電気的に接続された電子素子と、
複数の光ファイバを保持し、前記複数の光ファイバと前記複数の光素子とがそれぞれ光結合する位置で前記基板に固定される光コネクタ部と、
前記光コネクタ部を装着するための開口部を有し、前記複数の光素子と前記電子素子を含む部品全体を覆うように前記基板に固定されるカバーと、を備え、
前記光コネクタ部は、前記電子素子に対向する部分を含む少なくとも一部が熱伝導材料で構成され、
さらに、前記電子素子が前記基板の電極パターン上にフリップチップ実装されている
ことを特徴とする光モジュール。
前記光コネクタ部の少なくとも一部を構成する前記熱伝導材料は、金属であることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
前記金属は、ＣｕとＷの合金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。
前記光コネクタ部の前記基板の表面と対向する一端面では、前記複数の光ファイバの各一端部が整列して前記複数の光素子と対向しており、
前記光コネクタ部の前記一端面とは反対側の他端面では、前記複数の光ファイバの各他端部が整列していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の光モジュール。
前記光コネクタ部と前記カバーの開口部との間の隙間には、樹脂封止剤或いは接着剤が充填されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の光モジュール。
前記カバーは熱伝導材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の光モジュール。
前記電子素子と前記光コネクタ部との間および前記電子素子と前記カバーとの間の隙間には、熱伝導性と絶縁性を有する封止剤が充填されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一つに記載の光モジュール。
前記光素子としての複数の面発光型半導体レーザ素子と、前記複数の面発光型半導体レーザ素子を駆動する前記電子素子としてのドライバＩＣとを備え、前記複数の面発光型半導体レーザ素子からそれぞれ出射される光信号を前記複数の光ファイバを介して外部へ並列伝送する送信側光モジュールとして構成したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載の光モジュール。
前記光素子としての複数のフォトダイオード素子と、前記フォトダイオード素子の出力電流を電圧に変換して増幅する機能を有する前記電子素子としての増幅用ＩＣとを備え、外部から前記複数の光ファイバを介して並列伝送された光信号を前記複数のフォトダイオード素子で受光して電気信号に変換する受信側光モジュールとして構成したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一つに記載の光モジュール。
前記面発光型半導体レーザ素子または前記フォトダイオード素子を有するレーザダイオードアレイまたはフォトダイオードアレイを備え、
前記基板は表面に凹部を有し、前記レーザダイオードアレイまたは前記フォトダイオードアレイは、前記基板の凹部に配置されている
ことを特徴とする請求項８または９に記載の光モジュール。