JP6001327B2 - 光配線部品、光配線モジュールおよび光配線装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばスーパーコンピュータまたはサーバー・ルータ等に用いられる光配線部品等に関するものである。

近年、情報分野における技術発展に伴うＩＰトラフィックまたは情報処理量の増加によって、大容量かつ高速のデータ伝送が行なわれるようになってきた。それに伴って、電子機器間または電子機器内のモジュールにおける配線の集積化が要求されている。これに伴ってノイズ対策等の課題も顕在化してきた。また、近年、省エネルギー化の流れから、例えばデータセンタに設けられるサーバ等の電子機器における消費電力の低減が求められている。そこで、電子機器内に設けられた複数の素子間の配線部品として従前の電気配線に代えて光配線を有する配線部品が用いられるようになってきた。

光配線部品は、光電変換素子の実装領域を有する絶縁基体と、絶縁基体内において光電変換素子の実装領域の直下位置に設けられた光スルーホールとを含んでいる。

特開2002−189137号公報

従来の光配線部品においては、実装基板の光伝送路との間の空間における光伝送特性が低下する可能性があり、実装基板の光伝送路との間における光伝送特性の向上が求められている。また、光配線部品においては、光スルーホールにおける光損失の低減も求められている。

本発明の一つの態様において、光配線部品は、光配線基板と、中継基板とを備えている。光配線基板は、光電変換素子の実装領域と光電変換素子に電気的に接続される電子素子の実装領域とを含む上面を有している第１の絶縁基体と、光電変換素子の実装領域の直下位置に配置されており第１の絶縁基体内において上下方向に設けられた、第１のスルーホール部が有する第１の光スルーホールとを含んでいる。中継基板は、第２の絶縁基体と、第２の絶縁基体内において上下方向に設けられた、第２のスルーホール部が有する第２の光スルーホールとを含んでおり、第２の光スルーホールが第１の光スルーホールに光学的に結合されるように光配線基板の下に設けられている。第１および第２の光スルーホールは、互いに異なるサイズを有しているとともに一方から他方へ光信号が入射される場合に光信号が入射される方のサイズが大きい。光配線基板および中継基板の間には、第１および第２の光スルーホール部よりも外側の位置に第１の接合部材が設けられている。第１および第２の光スルーホールの間には、少なくともサイズが大きい方の光スルーホールと同じサイズで透光性の第２の接合部材が設けられている。

本発明の他の態様において、光配線モジュールは、上記構成の光配線部品と、光配線部品の光電変換素子の実装領域に実装された光電変換素子とを備えている。

本発明の他の態様において、光配線装置は、上記構成の光配線モジュールと、光配線モジュールが実装された実装基板とを備えており、中継基板の第２の絶縁基体の熱膨張係数が、光配線基板の第１の絶縁基体の熱膨張係数と実装基板の熱膨張係数との間に含まれる。

本発明の一つの態様による光配線部品は、中継基板を備えていることによって、実装基板の光伝送路との間における空間を減少させて、空気による光信号の損失を低減させて、実装基板の光伝送路との間における光伝送特性を向上させることができる。また、本発明の一つの態様による光配線部品は、光配線基板の第１の光スルーホールと中継基板の第２の光スルーホールとが互いに異なるサイズを有しているとともに一方から他方へ光信号が入射される場合に光信号が入射される方のサイズが大きいことによって、サイズの小さな光スルーホールからサイズの大きな光スルーホールへ光を入射させるように用いることで、光配線部品内の光スルーホールにおける光損失の低減を図ることができる。なお、光配線基板と中継基板とを接合する際に多少の位置ずれが生じたとしても、互いにサイズの異なる光スルーホールを有していることによって、この位置ずれによる光伝送特性の低下を低減させることができる。また、第１および第２の光スルーホールの間に少なくともサイズが大きい方の光スルーホールと同じサイズで透光性の第２の接合部材が設けられていることによって、光伝送特性が向上する。

本発明の他の態様による光配線モジュールは、上記構成の光配線部品を備えていることによって、光伝送特性が向上するとともに光損失の低減が図られる。

本発明の他の態様による光配線装置は、上記構成の光配線モジュールと、光配線モジュールが実装された実装基板とを備えており、中継基板の第２の絶縁基体の熱膨張係数が、光配線基板の第１の絶縁基体の熱膨張係数と実装基板の熱膨張係数との間に含まれていることによって、熱膨張係数の差による光配線装置の変形が低減されて、光配線モジュールおよび実装基板の間における光伝送特性が向上する。

本発明の実施形態における光配線装置を示す分解斜視図である。 図１に示された光配線装置における光配線部品を示す縦断面図である。 図２に示された光配線部品において符号Ａによって示された部分の拡大図である。 図３に示された第１および第２の光スルーホールを示す平面図である。 図４に示された第１および第２の光スルーホールの他の例を示す平面図である。 図３に示された第１および第２の光スルーホールの他の例を示す縦断面図である。 図６に示された第１および第２の光スルーホールを示す平面図である。 図７に示された第１および第２の光スルーホールの他の例を示す平面図である。 光配線基板および中継基板の第１の接合構造例を示す縦断面図である。 光配線基板および中継基板の第２の接合構造例を示す縦断面図である。 光配線基板および中継基板の第３の接合構造例を示す縦断面図である。 図２に示された光配線部品の他の構造例を示す縦断面図である。

以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照して説明する。

図１および図２に示されているように、本発明の実施形態における光配線モジュールは、光配線部品１と、光配線部品１に実装された光電変換素子２および電子素子３とを含んでいる。図１において、光配線モジュールは、仮想のｘｙｚ空間に設けられており、以下便宜的に、図１において上方向とは仮想のｚ軸の正方向のことをいう。図１に示された例において、光配線モジュールは、実装基板100に実装されている。実装基板100は、光伝送路101およびモジュール実装用パッド102を有している。

光配線部品１は、光配線基板11と、光配線基板11の下に設けられた中継基板12とを含んでいる。

光配線基板11は、絶縁基体11ａ（以下、第１の絶縁基体11ａともいう）と、絶縁基体11
ａ内に設けられた光スルーホール部11ｂ（以下、第１の光スルーホール部11ｂともいう）と、絶縁基体11ａの下面に設けられた複数の実装用パッド11ｃとを含んでいる。

絶縁基体11ａは、光電変換素子２の実装領域11ａ_２と電子素子３の実装領域11ａ_３とを含む上面を有している。絶縁基体11ａは、例えばアルミナ等のセラミックスから成る。絶縁基体11ａの他の例としては、樹脂から成るものがある。図１において、光電変換素子２の実装領域11ａ_２および電子素子３の実装領域11ａ_３が二点鎖線によって仮想的に示されている。絶縁基体11ａは、平面視において例えば矩形状を有している平板状のものである。

光スルーホール部11ｂは、絶縁基体11ａ内において上下方向に設けられており、平面視において光電変換素子２の実装領域11ａ_２内に配置されている。光スルーホール部11ｂは、列状に配置された複数の光スルーホールを有している。

図３に示されているように、光スルーホール部11ｂは、コア部11ｂ_１およびクラッド部11ｂ_２を有しており、光スルーホール11ｂ_３（以下、第１の光スルーホール11ｂ_３ともいう）は、コア部11ｂ_１およびクラッド部11ｂ_２の界面によって構成される。コア部11ｂ_１およびクラッド部11ｂ_２は、例えばガラスまたはポリマー樹脂等から成り、互いに異なる光屈折率を有している。コア部11ｂ_１は、クラッド部11ｂ_２によって囲まれており、クラッド部11ｂ_２よりも大きな光屈折率を有している。

なお、光スルーホール部11ｂは、所望の波長の光が透過するポリマー樹脂が高反射率部材によってコーティングされた構造であってもよい。この構造の場合、光スルーホール11ｂ _３ は、ポリマー樹脂および高反射率部材の界面によって構成される。

光配線部品１が実装基板100に搭載された際に、光スルーホール部11ｂは、中継基板12
を介して実装基板100の光伝送路101に光学的に結合される。

複数の実装用パッド11ｃは、絶縁基体11ａの下面に設けられており、例えば半田ボール等によって実装基板100のモジュール実装用パッド102に電気的かつ機械的に接続される。

中継基板12は、絶縁基体12ａ（以下、第２の絶縁基体12ａともいう）と、絶縁基体12ａ内において上下方向に設けられた光スルーホール部12ｂ（以下、第２の光スルーホール部12ｂともいう）とを含んでいる。

絶縁基体12ａは、例えばアルミナ等のセラミックスから成る。絶縁基体12ａの他の例としては、樹脂から成るものがある。絶縁基体12ａは、平面視において例えば矩形状を有しているものである。

光スルーホール部12ｂは、絶縁基体12ａ内において上下方向に設けられており、列状に配置された複数の光スルーホールを有している。

図３に示されているように、光スルーホール部12ｂは、コア部12ｂ_１およびクラッド部12ｂ_２を有しており、光スルーホール12ｂ_３（以下、第２の光スルーホール12ｂ_３ともいう）は、コア部12ｂ_１およびクラッド部12ｂ_２の界面によって構成される。コア部12ｂ_１およびクラッド部12ｂ_２は、例えばガラスまたはポリマー樹脂等から成り、互いに異なる光屈折率を有している。コア部12ｂ_１は、クラッド部12ｂ_２によって囲まれており、クラッド部12ｂ_２よりも大きな光屈折率を有している。

なお、光スルーホール部12ｂは、所望の波長の光が透過するポリマー樹脂が高反射率部材によってコーティングされた構造であってもよい。この構造の場合、光スルーホール12ｂ _３ は、ポリマー樹脂および高反射率部材の界面によって構成される。

中継基板12は、第２の光スルーホール12ｂ_３が第１の光スルーホール11ｂ_３に光学的に結合されるように光配線基板11の下に設けられている。中継基板12は、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂等の樹脂接合材によって光配線基板11の下面に接合されている。

ここで、第１の光スルーホール11ｂ_３および第２の光スルーホール12ｂ_３は、互いに異なるサイズを有している。

図４に示されているように、第１の光スルーホール11ｂ_３および第２の光スルーホール12ｂ_３が、平面視において円形状を有している場合、第１の光スルーホール11ｂ_３および第２の光スルーホール12ｂ_３のサイズＳ₁₁およびＳ₁₂とは、第１の光スルーホール11ｂ_３および第２の光スルーホール12ｂ_３の直径のことをいう。

図３および図４に示された構造は、第１の光スルーホール11ｂ_３から第２の光スルーホール12ｂ_３へ光信号が入射される場合に好ましく、第２の光スルーホール12ｂ_３のサイズＳ₁₂が第１の光スルーホール11ｂ_３のサイズＳ₁₁よりも大きい。

なお、図５に示されているように、第１の光スルーホール11ｂ_３および第２の光スルーホール12ｂ_３が、平面視において矩形状を有している場合、第１の光スルーホール11ｂ_３および第２の光スルーホール12ｂ_３のサイズＳ₁₁およびＳ₁₂とは、第１の光スルーホール11ｂ_３および第２の光スルーホール12ｂ_３の一辺の長さのことをいう。

また、第２の光スルーホール12ｂ_３から第１の光スルーホール11ｂ_３へ光信号が入射される場合は、図６に示されているように、第１の光スルーホール11ｂ_３のサイズが第２の光スルーホール12ｂ_３のサイズよりも大きいことが好ましい。

図７に示されているように、第１の光スルーホール11ｂ_３および第２の光スルーホール12ｂ_３が、平面視において円形状を有している場合、第１の光スルーホール11ｂ_３および第２の光スルーホール12ｂ_３のサイズＳ₁₁およびＳ₁₂とは、第１の光スルーホール11ｂ_３および第２の光スルーホール12ｂ_３の直径のことをいう。

なお、図８に示されているように、第１の光スルーホール11ｂ_３および第２の光スルーホール12ｂ_３が、平面視において矩形状を有している場合、第１の光スルーホール11ｂ_３および第２の光スルーホール12ｂ_３のサイズＳ₁₁およびＳ₁₂とは、第１の光スルーホール11ｂ_３および第２の光スルーホール12ｂ_３の一辺の長さのことをいう。

光電変換素子２は、送信機能を有する場合は例えば外部共振器型垂直面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting LASER）であり、受信機能を有する場合は例えばフォトダイオード（ＰＤ）である。

電子素子３は、送信機能を有する場合は例えばドライバ回路素子であり、受信機能を有する場合は例えばレシーバ回路素子（ＴＩＡ：Trans Impedance Amplifier）である。

以下、光配線基板11と中継基板12との接合構造についてさらに詳細に説明する。

図９に示されているように、第１の接合構造例において、光配線基板11および中継基板12は接合部材13によって接合されている。接合部材13は、光配線基板11の光スルーホール部11ｂよりも外側の位置でありかつ中継基板12の光スルーホール部12ｂよりも外側の位置
に設けられており、光配線基板11の光スルーホール部11ｂと中継基板12の光スルーホール部12ｂとの間には空間１ａが存在する。

第１の接合構造例において、光配線基板11の光スルーホール部11ｂと中継基板12の光スルーホール部12ｂとの間には、光が透過する空間１ａが存在していることによって、光配線基板11の光スルーホール部11ｂから下方へ放射された光は、空間１ａを通過して中継基板12の光スルーホール部12ｂに入射される。

なお、図９に示された第１の接合構造例において、空間１ａと示されている部分を真空状態の領域としておいてもよい。この真空状態の領域は、光配線基板11と中継基板12との接合を真空チャンバー内で行うことによって実現される。第１の接合構造例において空間１ａと示されている部分が真空状態である場合、光配線基板11と中継基板12との間における光伝送時の光損失が低減される。

図10に示されているように、第２の接合構造例において、光配線基板11および中継基板12は接合部材13および14によって接合されている。接合部材13（第１の接合部材）は、光配線基板11の光スルーホール部11ｂよりも外側の位置でありかつ中継基板12の光スルーホール部12ｂよりも外側の位置に設けられており、接合部材14（第２の接合部材）は、光配線基板11の光スルーホール部11ｂと中継基板12の光スルーホール部12ｂとの間に設けられている。

接合部材14は、透光性を有するものである。ここで、接合部材14の透光性とは、例えば光配線基板11の光スルーホール部11ｂから下方へ放射された光のうち少なくとも一部の波長が透過し得ることをいう。

図11に示されているように、第３の接合構造例において、光配線基板11および中継基板12は接合部材13、15および16によって接合されている。接合部材13（第１の接合部材）は、光配線基板11の光スルーホール部11ｂよりも外側の位置でありかつ中継基板12の光スルーホール部12ｂよりも外側の位置に設けられている。接合部材15（第２の接合部材）は、光配線基板11のコア部11ｂ_１と中継基板12のコア部12ｂ_１との間に設けられており、接合部材16は、クラッド部11ｂ_２と中継基板12のクラッド部12ｂ_２との間に設けられている。光スルーホール部11ｂと光スルーホール部12ｂとの間の光伝送特性を向上させるために、接合部材15は、接合部材16よりも大きい光屈折率を有している。

接合部材15は、透光性を有するものである。ここで、接合部材15の透光性とは、例えば光配線基板11のコア部11ｂ_１から下方へ放射された光のうち少なくとも一部の波長が透過し得ることをいう。

なお、図９〜図11においては、中継基板12の光スルーホール12ｂ_３のサイズが光配線基板11の光スルーホール11ｂ_３のサイズよりも大きく、中継基板12の光スルーホール12ｂ_３から光配線基板11の光スルーホール11ｂ_３へ光が伝送されることに適している構造が示されているが、第１〜第３の接合構造例は、図６に示されているような光配線基板11の光スルーホール11ｂ_３のサイズが中継基板12の光スルーホール12ｂ_３のサイズよりも大きく、光配線基板11の光スルーホール11ｂ_３から中継基板12の光スルーホール12ｂ_３へ光が伝送されることに適している構造においても適用され得る。

本実施形態の光配線部品１は、中継基板12を有していることによって、実装基板100の
光伝送路101との間における空間を減少させることができ、実装基板100の光伝送路101と
の光学的結合の精度を向上させることができる。また、本実施形態の光配線部品１は、光配線基板11の光スルーホール11ｂ _３ と中継基板12の光スルーホール12ｂ _３ とが互いに異なるサイズを有していることによって、サイズの小さな光スルーホールからサイズの大きな光スルーホールへ光を入射させるように用いることが可能となり、光配線部品１内の光スルーホールにおける光損失の低減を図ることができる。

また、図12に示されているように、本実施形態の光配線部品１において、光配線基板11が、中継基板12の厚みに対応する高さを有する脚部11ｄをさらに含んでいてもよい。中継基板12の厚みに対応する高さとは、光配線部品１と実装基板100との間の光伝送特性を考
慮して、光配線部品１の実装基板100に対する水平精度を向上させるような高さのことを
いい、例えば中継基板12の厚みと同じ高さのことである。なお、光配線基板11は、複数の脚部11ｄを含んでいてもよい。

光配線モジュールは、例えば半田等の接合部材によって実装基板100のモジュール実装
用パッド102に電気的に接続され、中継基板12は、例えばエポキシ等の樹脂接合部材によ
って実装基板100に接合される。

光配線モジュールおよび実装基板100を含む光配線装置において、中継基板12の第２の
絶縁基体12ａの熱膨張係数が、光配線基板11の第１の絶縁基体11ａの熱膨張係数と実装基板100の熱膨張係数との間に含まれるものであると、光配線モジュールおよび実装基板100の熱膨張係数の差による光配線装置の変形が低減されて、光配線モジュールおよび実装基板100の間における光伝送特性が向上される。

なお、本実施形態における光配線部品１においては、先に中継基板12を実装基板100に
固定しておいてその後に光配線基板11を中継基板12に固定する場合にも、光配線基板11の実装位置に多少の位置ずれが生じても、互いに異なるサイズの光スルーホールを有していることによって良好な光学特性が得られることから、実装位置（アライメント）に関しても光損失の低減が容易になる。

１ 光配線部品
11 光配線基板
11ａ 絶縁基体（第１の絶縁基体）
11ａ_２ 光電変換素子の実装領域
11ａ_３ 電子素子の実装領域
11ｂ 光スルーホール部（第１の光スルーホール部）
11ｂ_３ 光スルーホール（第１の光スルーホール）
11ｄ 脚部
12 中継基板
12ａ 絶縁基体（第２の絶縁基体）
12ｂ 光スルーホール部（第２の光スルーホール部）
12ｂ_３ 光スルーホール（第２の光スルーホール）
13 接合部材（第１の接合部材）
14、15 接合部材（第２の接合部材）
２ 光電変換素子
３ 電子素子
100 実装基板

Claims (4)

1. 光電変換素子の実装領域と前記光電変換素子に電気的に接続される電子素子の実装領域とを含む上面を有している第１の絶縁基体と、前記光電変換素子の前記実装領域の直下位置に配置されており前記第１の絶縁基体内において上下方向に設けられた、第１のスルーホール部が有する第１の光スルーホールとを含む光配線基板と、
   第２の絶縁基体と、該第２の絶縁基体内において上下方向に設けられた、第２のスルーホール部が有する第２の光スルーホールとを含んでおり、該第２の光スルーホールが前記第１の光スルーホールに光学的に結合されるように前記光配線基板の下に設けられている中継基板とを備えており、
   前記第１および第２の光スルーホールが、互いに異なるサイズを有しているとともに一方から他方へ光信号が入射される場合に該光信号が入射される方のサイズが大きく、
   前記光配線基板および前記中継基板の間には、前記第１および第２の光スルーホール部よりも外側の位置に第１の接合部材が設けられており、
   前記第１および第２の光スルーホールの間には、少なくともサイズが大きい方の光スルーホールと同じサイズで透光性の第２の接合部材が設けられていることを特徴とする光配線部品。
2. 前記光配線基板が、前記中継基板の厚みに対応する高さを有する脚部をさらに含んでいることを特徴とする請求項１に記載の光配線部品。
3. 請求項１に記載された光配線部品と、
   該光配線部品の前記光電変換素子の実装領域に実装された光電変換素子とを備えていることを特徴とする光配線モジュール。
4. 請求項３に記載された光配線モジュールと、
   該光配線モジュールが実装された実装基板とを備えており、
   前記中継基板の前記第２の絶縁基体の熱膨張係数が、前記光配線基板の前記第１の絶縁基体の熱膨張係数と前記実装基板の熱膨張係数との間に含まれることを特徴とする光配線装置。

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