JP5531763B2 - 光伝送装置、及び、光伝送システム - Google Patents

Description

本明細書に記述された実施態様は、屈折率分布レンズを備える光伝送装置、及び、この光伝送装置を含む光伝送システムに関する。

近年、ハイエンドサーバやスーパーコンピュータ（スパコン）などのＨＰＣ（High Performance Computing）分野において、信号処理能力の向上に対する要求は益々高まってきている。その結果、ラック間、ボード間、ボード内などの伝送路における高速・大容量（高密度）のデータ伝送技術の開発が急務となってきている。

しかし、従来の電気伝送技術は、高速・大容量化の限界に達しつつあり、ＨＰＣシステムが要求するデータ伝送能力（速度、バンド幅（＝トータルスループット））を実現するのは困難な状況になることが予想されている。

これら電気伝送技術の限界に対するブレークスルー技術として、光を用いてデータ伝送を行う光インターコネクト技術が脚光を浴び始めている。
高速・大容量の光インターコネクトを実現する場合、光電気変換素子、ドライバ、レシーバアンプなどの半導体デバイス（ＩＣ）の電気配線ピッチは狭くなる。しかし、プリント基板上では加工精度の制限から配線の狭ピッチ化には限界がある。

このため、デバイスにおける配線ピッチをプリント基板上の配線ピッチに変換するための中継基板（インターポーザ）が用いられている。
また、高速・大容量の光インターコネクトでは、データ速度が速くなるにつれて、光デバイスの帯域を確保するために光デバイスの素子容量を低減する必要がある。そのため、特に、受光デバイス（ＰＤ：Photo Diode）では受光径が小さくなり、光伝送路のコア径（例えば、マルチモードファイバでは５０μｍ）より小さい受光径となってしまう場合が発生する。

この場合、光伝送路を伝搬してきた光信号を損失なく受光デバイスの受光面に結合させるためには、光信号を集光させる構造（集光レンズ）が必要になる。
光伝送路からの光信号を集光する構造については、インターポーザへの実装を考慮すると、インターポーザの平坦性が確保される屈折率分布レンズ（ＧＲＩＮ（Gradient Index）レンズ）を採用することが有効である。

図７は、第１の参考技術に係る光伝送システム３０１を示す断面図である。
図７に示すように、光伝送システム３０１は、屈折率分布レンズ３１０と、基板３２０と、電子デバイス３３０と、を含む。

電子デバイス３３０は、複数のバンプ電極３３２によって基板３２０にフリップチップ実装されている。
屈折率分布レンズ３１０は、基板３２０の内部に挿入されている。屈折率分布レンズ３１０には、図示はしないが、例えば、光伝送路から出射されて反射ミラーによって反射された光が入射する。屈折率分布レンズ３１０は、中心部から外周部にいくほど屈折率が放物関数状に減少する。

図７に示すように屈折率分布レンズ３１０が発散光Ｌを出射すると、電子デバイス３３０の受光素子であるフォトダイオード３３１に入射しない光が損失となる。
図８は、第２の参考技術に係る光伝送システム４０１を示す断面図である。

図８に示すように、光伝送システム４０１は、屈折率分布レンズ４１０と、基板４２０と、電子デバイス４３０と、光伝送路４４０と、反射ミラー４５０と、を含む。
電子デバイス４３０は、複数のバンプ電極４３２によって基板４２０にフリップチップ実装されている。

屈折率分布レンズ４１０は、基板４２０の内部に挿入されている。屈折率分布レンズ４１０は、中心部から外周部にいくほど屈折率が放物関数状に減少する。
屈折率分布レンズ４１０には、光伝送路４４０のクラッド層４４２に覆われたコア部４４１を通り（光路Ｌ１１）、コア部４４１から出射され（光路Ｌ１２）、反射ミラー４５０によって反射された光（光路Ｌ１３）が入射する。

屈折率分布レンズ４１０は、図７に示す屈折率分布レンズ３１０とは異なり、適切な長さに形成されて、入射した光（光路Ｌ１３）を、電子デバイス４３０のフォトダイオード４３１に集光させる（光路Ｌ１４）。

特開２００６−３３０６９７号公報 特開２００１−１４１９６５号公報 特開２００９−３１６３３号公報

ところで、図８に示す光伝送システム４０１では、光伝送路４４０が例えば反射ミラー４５０から遠ざかる方向に位置ずれすると（光伝送路４４０Ａ）、光伝送路４４０Ａから出射される発散光（光路Ｌ１２Ａ）、及び、反射ミラー４５０により反射される光（光路Ｌ１３Ａ）も位置ずれする。

これにより、屈折率分布レンズ４１０によりフォトダイオード４３１に集光される光（光路Ｌ１４Ａ）の集光位置が遠ざかる。このように集光位置がずれると、光結合損失が発生する。このような光結合の損失は、電子デバイス４３０が受光側ではなく光発光側である場合にも発生する。

本発明の目的は、光結合損失の発生を抑えることができる光伝送装置及び光伝送システムを提供することである。

本明細書で開示する光伝送装置は、第１の屈折率分布レンズと、第２の屈折率分布レンズと、を備える。上記第１の屈折率分布レンズは、光伝送路の端部に接続されている。上記第２の屈折率分布レンズは、電子デバイスに設けられ光入力及び光出力のうち少なくとも一方を行う光通信手段と前記第１の屈折率分布レンズとの間に配置されている。

本明細書で開示する光伝送システムは、上記光伝送装置と、上記光伝送路と、上記電子デバイスと、を含む。

本明細書で開示する光伝送装置及び光伝送システムによれば、光結合損失の発生を抑えることができる。

光伝送システムを示す断面図である。 図１のＡ部拡大図である。 変形例に係る光伝送システムを示す断面図である。 図３のＢ部拡大図である。 光伝送装置の光路を示す概略図（その１）である。 光伝送装置の光路を示す概略図（その２）である。 第１の参考技術に係る光伝送システムを示す断面図である。 第２の参考技術に係る光伝送システムを示す断面図である。

以下、実施の形態に係る、光伝送装置及び光伝送システムについて、図面を参照しながら説明する。
図１は、光伝送システム１を示す断面図である。
図２は、図１のＡ部拡大図である。

図１に示すように、一実施の形態に係る光伝送システム１は、光伝送装置１００と、光伝送路２１０と、電子デバイス２２０と、を含む。

更に、光伝送システム１は、電子デバイス２２０が複数のバンプ電極２２２によってフリップチップ実装された中継基板２３０と、この中継基板２３０が複数のバンプ電極２３２によってフリップチップ実装された配線基板２４０と、を含む。

光伝送装置１００は、第１の屈折率分布レンズ１１０と、第２の屈折率分布レンズ１２０と、光路変更手段の一例である反射ミラー１３０と、ストッパ１４０と、を備える。
光伝送路２１０は、コア部２１１と、コア部２１１を覆うクラッド部２１２とを含む。

電子デバイス２２０は、フォトダイオード２２１を備える。このフォトダイオード２２１は、光入力及び光出力のうち少なくとも一方を行う光通信手段の一例であり、光入力を行う。なお、光通信手段としては、光出力を行う面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）などを用いてもよい。その場合には、後述する光路Ｌ１〜Ｌ４では、光が反対側に導光されることになる。

第１の屈折率分布レンズ１１０は、光伝送路２１０のコア部２１１を通る光路Ｌ１の出射端に融着（接着）されている。なお、コア部２１１は、クラッド部２１２によって覆われている。また、コア部２１１は、例えば、フォトダイオード２２１の受光径よりも大きい直径を有する。

第１の屈折率分布レンズ１１０は、光伝送路２１０のコア部２１１から出射される光（光路Ｌ１）を平行光（光路Ｌ２）として出射可能な長さの円柱形状に形成されている。
第１の屈折率分布レンズ１１０及び光伝送路２１０は、配線基板２４０に沿って、例えば、配線基板２４０の中継基板２３０に対向する面に形成された凹部２４１に配置されている。

配線基板２４０の凹部２４１には、反射ミラー１３０も配置されている。この反射ミラー１３０は、第１の屈折率分布レンズ１１０と第２の屈折率分布レンズ１２０との間の光路Ｌ２，Ｌ３を変更する。

本実施の形態では、反射ミラー１３０は、第１の屈折率分布レンズ１１０から出射された平行光Ｌ２を、中継基板２３０の配線基板２４０に対する積層方向（図１における上方向）の平行光Ｌ３として反射させる。

第２の屈折率分布レンズ１２０は、フォトダイオード２２１と反射ミラー１３０との間に配置されている。本実施の形態では、第２の屈折率分布レンズ１２０は、第１の屈折率分布レンズ１１０よりも開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）が大きい。但し、光路第２の屈折率分布レンズ１２０の開口数を、第１の屈折率分布レンズ１１０の開口数よりも小さく或いは第１の屈折率分布レンズ１１０の開口数と同一とすることで、後述のように出射する収束光（光路Ｌ４）の形状を変更することができる。

第２の屈折率分布レンズ１２０は、中継基板２３０の貫通孔２３１の全域に亘って配置され、貫通孔２３１から配線基板２４０側に突出している。中継基板２３０の貫通孔２３１は、中継基板２３０を配線基板２４０に対する積層方向（図１における上方）に貫通している。なお、中継基板２３０を配置しない場合には、第２の屈折率分布レンズ１２０は、例えば、配線基板２４０に挿入される。

第２の屈折率分布レンズ１２０は、反射ミラー１３０により反射されて入射する平行光（光路Ｌ３）を収束光（光路Ｌ４）としてフォトダイオード２２１側に出射可能な長さの円柱形状に形成されている。なお、第２の屈折率分布レンズ１２０は、光伝送路２１０のコア部２１１の直径よりも小さい受光径で、フォトダイオード２２１に収束光（光路Ｌ４）を入射させる。

第１の屈折率分布レンズ１１０及び第２の屈折率分布レンズ１２０は、屈折率が中心部から外周部にいくほど減少する。本実施の形態では、上記の屈折率は、放物関数状に、中心部から外周部にいくほど減少する。

ストッパ１４０は、中継基板２３０のうち貫通孔２３１の電子デバイス２２０側の端部に配置され、第２の屈折率分布レンズ１２０のフォトダイオード２２１に対する位置決めを行う。本実施の形態では、ストッパ１４０は、第２の屈折率分布レンズ１２０の端縁外周部に当接するリングである。

第２の屈折率分布レンズ１２０は、例えば、ストッパ１４０により位置決めされた状態で、貫通孔２３１に接着により固定される。
ストッパ１４０は、第２の屈折率分布レンズ１２０の電子デバイス２２０側の端面から電子デバイス２２０までの距離Ｄ１が第２の屈折率分布レンズ１２０の焦点距離から主点距離を引いた距離（作動距離：Working Distance）と一致するように位置決めを行う。

図２に示すように、ストッパ１４０の中央の貫通孔１４１は、第２の屈折率分布レンズ１２０から出射される収束光Ｌ４を遮らない大きさに形成されている。
ストッパ１４０は、例えば、パターニングにより形成されている。ストッパ１４０の材質は、例えば、金属、ポリイミド、プラスチックであるが、その他のものでもよい。なお、中継基板２３０が配線基板２４０に対してリフロー接続されている場合、ストッパ１４０は、例えば２００〜３００℃程度の耐熱性があることが望ましい。

図３は、変形例に係る光伝送システム１Ａを示す断面図である。
図４は、図３のＢ部拡大図である。
本変形例の光伝送システム１Ａは、光伝送装置１００Ａに図１及び図２に示すストッパ１４０ではなく図３及び図４に示すストッパ１５０が配置されている点のみにおいて図１に示す光伝送システム１と相違する。そのため、ストッパ１５０以外についての説明は省略する。

ストッパ１５０は、中継基板２３０側の一端が第２の屈折率分布レンズ１２０の端縁外周部に当接する円筒体（筒体）である。
ストッパ１５０には、上記の中継基板２３０側の一端に、中継基板２３０に当接するフランジ部１５２が形成されている。ストッパ１５０の軸方向の長さは、好ましくは、電子デバイス２２０と中継基板２３０との間の距離Ｄ１の半分以上、より好ましくは、距離Ｄ１の８０％以上の長さとするとよい。

ストッパ１５０は、電子デバイス２２０を中継基板２３０にフリップチップする際のバンプ電極２２２に起因する残渣（松脂等）が第２の屈折率分布レンズ１２０の端面やフォトダイオード２２１に付着するのを防ぐ。

ところで、電子デバイス２２０と中継基板２３０との間のバンプ電極２２２の隙間には、アンダーフィルが注入されることがある。このアンダーフィルは、環境による温度変化或いは動作時における温度変化が発生した際に電子デバイス２２０と中継基板２３０との熱膨張係数の違いに起因する応力を吸収する。

ストッパ１５０は、上述のように電子デバイス２２０と中継基板２３０との間にアンダーフィルが注入される場合に、第２の屈折率分布レンズ１２０の端面やフォトダイオード２２１にアンダーフィルが付着するのを防ぐ。

なお、上述のストッパ１４０，１５０は、中継基板２３０と一体に形成されるようにしてもよい。また、図１及び図２に示すストッパ１４０は、中継基板２３０の貫通孔２３１の電子デバイス２２０側の端部に大径部分を形成して、その大径部分に配置されるようにしてもよい。

以上説明した本実施の形態では、第１の屈折率分布レンズ１１０は、光伝送路２１０の端部に接続されている。第２の屈折率分布レンズは、電子デバイス２２０のフォトダイオード（通信手段）２２１と第１の屈折率分布レンズ１２０との間に配置されている。

そのため、第１の屈折率分布レンズ１１０と第２の屈折率分布レンズ１２０との間の光路Ｌ２，Ｌ３が略平行光であるか或いはそれに近い光とすることなどで、第１の屈折率分布レンズ１１０の位置ずれに起因する光結合損失の発生を抑えることが可能となる。よって、本実施の形態によれば、光結合損失の発生を抑えることができる。

また、本実施の形態では、第１の屈折率分布レンズ１１０の開口数は、第２の屈折率分布レンズ１２０の開口数と異なる。更には、本実施の形態では、第１の屈折率分布レンズ１１０の開口数は、第２の屈折率分布レンズ１２０の開口数よりも小さい。これらのように開口数を調整することで、光伝送路２１０と電子デバイス２２０との間の光路（Ｌ１〜Ｌ４）の形状を調整することができる。

また、本実施の形態では、電子デバイス２２０は中継基板２３０に実装され、中継基板２３０は配線基板２４０に実装されている。中継基板２３０には、配線基板２４０に対する積層方向に貫通する貫通孔２３１が形成され、第２の屈折率分布レンズ１２０は、少なくとも一部が貫通孔２３１に配置されている。そのため、配線基板２４０の実装スペースを確保することができる。

また、本実施の形態では、第１の屈折率分布レンズ１１０と反射ミラー１３０との間を結ぶ光路Ｌ２を通る光は、略平行光である。そのため、図５及び図６に示すように、第１の屈折率分布レンズ１１０の反射ミラー１３０との間の距離Ｄ１１，Ｄ１２が変動しても（例えば距離Ｄ１１は２００μｍ，距離Ｄ１２は４００μｍ）、その先の光路Ｌ３，Ｌ４がずれるのを抑えることができる。したがって、第１の屈折率分布レンズ１１０の位置ずれに起因する光結合損失の発生を確実に抑えることができる。

また、本実施の形態では、ストッパ１４０，１５０は、中継基板２３０のうち貫通孔２３１の電子デバイス２２０側の端部に配置され、第２の屈折率分布レンズ１２０のフォトダイオード２２１に対する位置決めを行う。そのため、第２の屈折率分布レンズ１２０の位置ずれに起因する光結合損失の発生を抑えることができる。

また、本実施の形態では、図１及び図２に示すストッパ１４０は、第２の屈折率分布レンズ１２０の端縁外周部に当接するリングである。そのため、簡素な構成で確実に、第２の屈折率分布レンズ１２０の位置ずれに起因する光結合損失の発生を抑えることができる。

また、本実施の形態の変形例では、図３及び図４に示すストッパ１５０は、一端が第２の屈折率分布レンズ１２０の端縁外周部に当接する筒体である。そのため、電子デバイス２２０を中継基板２３０にフリップチップする際のバンプ電極２２２に起因する残渣や、バンプ電極２２２の隙間に注入されるアンダーフィルなどが、第２の屈折率分布レンズ１２０やフォトダイオード２２１に付着するのを防ぐことができる。

また、本実施の形態では、ストッパ１５０は、第２の屈折率分布レンズ１２０側の一端に、中継基板２３０に当接するフランジ部１５２が形成されている。そのため、上記の残渣やアンダーフィルなどの付着を防ぎつつ、第２の屈折率分布レンズ１２０の位置ずれを確実に防ぐことができる。更には、ストッパ１５０は、電子デバイス２２０のバンプ電極２２２と接近して配置されていても、バンプ電極２２２との干渉を有効に抑えることができる。

以上説明した実施の形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
光伝送路の端部に接続された第１の屈折率分布レンズと、
電子デバイスに設けられ光入力及び光出力のうち少なくとも一方を行う光通信手段と前記第１の屈折率分布レンズとの間に配置された第２の屈折率分布レンズと、
を備えることを特徴とする光伝送装置。
（付記２）
前記第１の屈折率分布レンズ及び前記第２の屈折率分布レンズは、屈折率が中心部から外周部にいくほど減少することを特徴とする付記１記載の光伝送装置。
（付記３）
前記第１の屈折率分布レンズの開口数は、前記第２の屈折率分布レンズの開口数と異なることを特徴とする付記１記載の光伝送装置。
（付記４）
前記第１の屈折率分布レンズの開口数は、前記第２の屈折率分布レンズの開口数よりも小さいことを特徴とする付記１記載の光伝送装置。
（付記５）
前記第１の屈折率分布レンズと前記第２の屈折率分布レンズとの間の光路の向きを変更する光路変更手段を更に備えることを特徴とする付記１記載の光伝送装置。
（付記６）
前記電子デバイスは、中継基板に実装され、
前記中継基板は、配線基板に実装され、
前記中継基板には、前記配線基板に対する積層方向に貫通する貫通孔が形成され、
前記第２の屈折率分布レンズは、少なくとも一部が前記中継基板の貫通孔に配置されている、
ことを特徴とする付記１記載の光伝送装置。
（付記７）
前記第１の屈折率分布レンズと前記第２の屈折率分布レンズとの間の光路の向きを変更する光路変更手段を更に備え、
前記第１の屈折率分布レンズは、前記配線基板に沿って配置されている、
ことを特徴とする付記６記載の光伝送装置。
（付記８）
前記第１の屈折率分布レンズと前記光路変更手段との間を結ぶ光路を通る光は、略平行光であることを特徴とする付記１記載の光伝送装置。
（付記９）
前記中継基板のうち前記貫通孔の前記電子デバイス側の端部に配置され、前記第２の屈折率分布レンズの前記光通信手段に対する位置決めを行うストッパを更に備えることを特徴とする付記６記載の伝送装置。
（付記１０）
前記ストッパは、前記第２の屈折率分布レンズの端縁外周部に当接するリングであることを特徴とする付記９記載の光伝送装置。
（付記１１）
前記ストッパは、一端が前記第２の屈折率分布レンズの端縁外周部に当接する筒体であることを特徴とする付記９記載の光伝送装置。
（付記１２）
前記筒体には、前記一端に、前記中継基板に当接するフランジ部が形成されていることを特徴とする付記１１記載の光伝送装置。
（付記１３）
付記１から付記１２のいずれか１項記載の光伝送装置と、
前記光伝送路と、
前記電子デバイスと、
を含むことを特徴とする光伝送システム。

１ 光伝送システム
１００ 光伝送装置
１１０ 第１の屈折率分布レンズ
１２０ 第２の屈折率分布レンズ
１３０ 反射ミラー
１４０ ストッパ
１４１ 貫通孔
１５０ ストッパ
１５１ 貫通孔
１５２ フランジ部
２１０ 光伝送路
２１１ コア部
２１２ クラッド部
２２０ 電子デバイス
２２１ フォトダイオード
２２２ バンプ電極
２３０ 中継基板
２３１ 貫通孔
２３２ バンプ電極
２４０ 配線基板
２４１ 凹部

Claims (3)

1. 光伝送路の端部に接続された第１の屈折率分布レンズと、
   電子デバイスに設けられ光入力及び光出力のうち少なくとも一方を行う光通信手段と前記第１の屈折率分布レンズとの間に配置された第２の屈折率分布レンズと、
   を備え、
   前記電子デバイスは、中継基板に実装され、前記中継基板は、配線基板に実装され、前記中継基板には、前記配線基板に対する積層方向に貫通する貫通孔が形成され、前記第２の屈折率分布レンズは、少なくとも一部が前記中継基板の貫通孔に配置されたものであり、
   前記中継基板のうち前記貫通孔の前記電子デバイス側の端部に配置され、前記第２の屈折率分布レンズの前記光通信手段に対する位置決めを行うストッパを更に備え、
   前記ストッパは、筒体であって、その前記中継基板側の一端が前記第２の屈折率分布レンズの端縁外周部に当接する、
   ことを特徴とする光伝送装置。
2. 前記第１の屈折率分布レンズ及び前記第２の屈折率分布レンズは、屈折率が中心部から外周部にいくほど減少することを特徴とする請求項１記載の光伝送装置。
3. 請求項１又は２記載の光伝送装置と、
   前記光伝送路と、
   前記電子デバイスと、
   を含むことを特徴とする光伝送システム。