JP7187790B2 - 光モジュールパッケージおよび光モジュールパッケージ実装方法 - Google Patents

Description

本発明は、光モジュールパッケージおよび光モジュールパッケージ実装方法に関し、特に、光学的性能を確保しつつ、サイズの小型化が可能な光モジュールパッケージおよび光モジュールパッケージ実装方法に関する。

近年、広帯域なネットワークを介して送受信される情報量が増大することに伴い、ルータやサーバ等の情報機器内部における情報処理容量を向上させることが強く求められている。しかし、情報機器内部に用いられている電気配線の伝送速度の限界は、ネットワークのトラヒック増加や信号処理ＬＳＩ（ＣＰＵ、スイッチ等）の処理速度の進展に比較して伸びておらず、情報処理容量を向上させる上での障害となっていた。

かかる障害を解決するために、ルータやサーバ等の情報機器内部に収容されるポート間やＬＳＩ等の電子部品間を光信号によって相互接続するいわゆる「装置内光インタコネクション」が、電気配線に代わって、利用されるようになってきている。「装置内光インタコネクション」を採用する例としては、特許文献１の特開２００８－０４１７７０号公報「光モジュール」等が知られている。「装置内光インタコネクション」を採用するには、ＬＳＩが処理する電気的な信号を光に変換する光モジュールパッケージが必要となる。この装置内光インタコネクション用の光モジュールパッケージには、一般的な通信用の光モジュールパッケージよりも小型高集積化、高機能化が求められる。このため、装置内光インタコネクション用の光モジュールの実現のために、光学系部品のみならず電気系部品も含む形のいわゆるハイブリッド型の光モジュールパッケージとして高集積化する技術が、一般的な通信用の光モジュールパッケージよりもさらに活発に開発されるようになってきている。

図２は、現状の技術における光モジュールパッケージの実装構造を示す模式図であり、ハイブリッド型の光モジュールパッケージの実装構造を示している。図２（Ａ）は、光モジュールの外観を示す斜視図であり、図２（Ｂ）は、光モジュールの内部を示す断面図である。図２（Ａ）の斜視図に示す筐体１の内部には、光モジュールを構成する光学系部品と電気系部品とが混在する形で、一緒に実装されていて、光信号を入出力する光導波路８が筐体１の側面に配置されている。そして、図２（Ｂ）の断面図に示すように、筐体１内には、光導波路８が取り付けられる基板３が実装されている。この基板３の上には、ＬＤ（Laser Diode）５、モニタＰＤ（Photo Diode）６等の光電変換部品や光学回路４を形成する各種の光学系部品が搭載されるとともに、電気系部品からなる駆動回路やＡ／Ｄ変換回路や誤り訂正回路や各種の信号処理回路等の電気回路３１が光学系部品と一緒に搭載された構造になっている。

特開２００８－０４１７７０号公報

前述したように、近年の光モジュールパッケージでは、多機能化が進み、制御回路の内包、デジタル制御インタフェースの搭載など、光学系部品以外の電気系部品により構成される電気回路も、光モジュールパッケージ内に光学系部品と一緒に搭載したいわゆるハイブリッド型の光モジュールパッケージが一般的になっている。

その結果、光モジュールパッケージが、多機能化による搭載部品数の増加に伴い、大型化する傾向にあり、例えばデジタルコヒーレント受信器の場合、平面形が３０ｍｍ×２０ｍｍという大型のサイズになっている。さらには、光学系部品と同一の基板上に電気系部品も搭載しているので、ＬＤ（Laser Diode）やモニタＰＤ（Photo Diode）等の光電変換部品や光学回路の配置場所にも制限が生じて、光軸合わせ等の自由度にも制約が生じている。

（本開示の目的）
本開示の目的は、かかる事情に鑑み、光学的性能を確保しつつ、サイズの小型化が可能な光モジュールパッケージおよび光モジュールパッケージ実装方法を提供することにある。

前述の課題を解決するため、本発明による光モジュールパッケージおよび光モジュールパッケージ実装方法は、主に、次のような特徴的な構成を採用している。

（１）本発明による光モジュールパッケージは、
筐体内における光学系部品と電気系部品との実装場所が分離してあり、該筐体の上面が蓋部により封止された密封構造を有し、
前記光学系部品は、光導波路を形成する基板上に実装してあり、前記電気系部品は、前記基板上を除く領域である前記筐体内の空きスペースに実装してあることを特徴とする。

（２）本発明による光モジュールパッケージ実装方法は、
光学系部品と電気系部品との実装場所を筐体内で分離して、前記光学系部品は、光導波路を形成する基板上に実装し、前記電気系部品は、前記基板上を除く領域である前記筐体内の空きスペースに実装し、
前記筐体の上面を蓋部により封止する
ことを特徴とする。

本発明の光モジュールパッケージおよび光モジュールパッケージ実装方法によれば、主に、以下のような効果を奏することができる。

第１に、光学系部品と電気系部品との実装位置を完全に分離しているので、光モジュールパッケージを構成する光学系部品の配置箇所の自由度を向上させて、光軸合わせ、光強度等の光学的性能を優先的に確保することができる。

第２に、電気系部品の実装位置を筐体底面や筐体側面や蓋部裏面等の筐体内の空きスペースとしているので、光学系部品のみが実装されることになる基板の小型化が可能になり、光モジュールパッケージの小型化を図ることができるのみならず、実装部品数をさらに増加させて、さらなる多機能化を実現することも可能になる。

第３に、例えば、基板を筐体底面の殆どを覆うように実装している場合、筐体内の筐体底面側に実装する電気系部品については、該電気系部品の上側方向が基板によって覆われる状態になるので、該電気系部品や該電気系部品により構成される電気回路が発する熱の基板上側方向への伝搬を遮断することができ、さらには、該電気系部品や該電気系部品により構成される電気回路からのノイズも遮断することができ、光モジュールパッケージとして安定した動作を実現することができる。

本発明に係る光モジュールパッケージの実装構造の一例を示す模式図である。 現状の技術における光モジュールパッケージの実装構造を示す模式図である。

以下、本発明による光モジュールパッケージおよび光モジュールパッケージ実装方法の好適な実施形態について添付図を参照して説明する。なお、以下の図面に付した図面参照符号は、理解を助けるための一例として各要素に便宜上付記したものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図するものではないことは言うまでもない。

（本発明の特徴）
本発明の実施形態の説明に先立って、本発明の特徴についてその概要をまず説明する。本発明は、光学系部品と電気系部品とを筐体内に実装して該筐体の上面を蓋部により封止した密封構造からなるハイブリッド型の光モジュールパッケージにおいて、光モジュールパッケージを構成する光学系部品と電気系部品とを同一基板上に実装しないで、光導波路が形成される基板上には光学系部品を実装し、電気系部品は、光モジュールパッケージの筐体および蓋部の空きスペースを有効活用して、筐体の底面または側面あるいは蓋部の裏面のうちいずれか１ないし複数の場所に分散して実装することを主要な特徴とする。而して、光モジュールパッケージを構成する光学系部品の配置箇所の自由度を向上させて、光軸合わせ、光強度等の光学系の性能を優先的に確保することができる。さらには、光モジュールパッケージの小型化を可能にすると同時に、実装部品数の増加を可能にして多機能化を実現することも可能になる。

（本発明の実施形態）
次に、本発明に係る光モジュールパッケージの実装構造の一例を、図面を用いて説明する。図１は、本発明に係る光モジュールパッケージの実装構造の一例を示す模式図であり、図１（Ａ）は、光モジュールパッケージの外観を示す斜視図であり、図１（Ｂ）は、蓋部を取り除いた状態の上面図を示し、図１（Ｃ）は、蓋部を筐体から離そうとしている状態において図１（Ｂ）の矢印Ａに示す方向から筐体内を矢視した断面を示している。なお、図１に示す光モジュールパッケージにおいては、光学系部品については光導波路が形成される基板上に実装するが、電気系部品により構成される電気回路の実装位置については、光学系部品が実装されている基板上ではなく、筐体内の空きスペース例えば筐体の底面および側面さらには蓋部の裏面の３ヶ所に分散して実装されている場合について例示している。

ここで、光学系部品としては、ＬＤ（Laser Diode）、モニタＰＤ（Photo Diode）等の光電変換部品や、さらには、光導波路や光分岐カプラ、光アイソレータ、合波器等の各種の光半導体素子から構成される光学回路を少なくとも含んでいる。例えば、本光モジュールパッケージをデジタルコヒーレント受信器に適用する場合には、光学回路として、光導波路からの位相変調された光信号を局発光源と干渉させて光強度信号に変換する９０度ハイブリッドミキサが該当する。

また、電気系部品は、駆動回路、Ａ／Ｄ変換回路、波形補償回路、エラー訂正（ＦＥＣ：Forward Error Correction）回路等の電気回路を形成する各種のＤＳＰ（Digital Signal Processor）、デジタルＬＳＩ、ＩＣチップ等である。電気回路は、外部の電気回路から入力されてくる電気信号に対してエラーチェック用の符号を付したり、Ｄ／Ａ変換等の信号処理を行って、ＬＤや光学回路へ出力したり、あるいは、モニタＰＤからの光電変換された電気信号に対して波形補償やＡ／Ｄ変換やエラーチェック・訂正等の信号変換を施して、出力端子を介して外部の電気回路に出力したりする。

図１（Ａ）に示すように、光モジュールパッケージは、側面部を有する筐体１が蓋部２により密封された密封構造からなっていて、筐体１の側面には光信号を入出力する光導波路８が配置されている。そして、筐体１および蓋部２の材料は少なくとも内面側はセラミック材を用いており、筐体１の底面や側面、蓋部２の裏面等の内面側は、タングステン等の材料により電気的な配線パターンを形成したり、電極を配置したりすることができ、筐体１の内側の底面や側面、蓋部２の裏面等に、電気系部品を実装して各種の電気回路を形成することができる。なお、筐体１のサイズは、１５ｍｍ×１０ｍｍ程度であり、現状の半分程度のサイズまで小型化することを可能にしている。

また、蓋部２を取り除いた筐体１の内部を眺めた状態の図１（Ｂ）に示すように、筐体１内には、基板３が、筐体１とは電気的な結合がない状態で実装されている。そして、該基板３上には、光導波路８が形成されていて、光学回路４やＬＤ５、モニタＰＤ６の光電変換部品等の光学系部品のみが搭載されていて、電気系部品は搭載されていない。そして、電気系部品によって構成される各種の電気回路は、筐体１の底面や側面や蓋部の裏面等の筐体１内の空きスペースに分散実装している。そして、図示していないが、空きスペースに分散実装した該電気回路それぞれを基板３上の光学回路４や光電変換部品等の光学系部品と電気的に接続するようにしている。なお、図１（Ｂ）には、筐体１内の空きスペースに分散実装されている電気回路の一部である電気回路３ｂが筐体側面１ｂに実装されていることを例示している。

具体的には、図１（Ｃ）の断面図に示すように、筐体１の内側の底面である筐体底面１ａには、３ヶ所に分散実装されている電気回路の一部である電気回路３ａが実装されている。また、筐体１の底面の筐体底面１ａからスペーサ７ａ，７ｂを介して電気的な結合がない状態にして実装した基板３上には、前述したように、光学系部品として光学回路４、ＬＤ５（さらには、図１（Ｃ）には図示していないがモニタＰＤ６）が実装されている。また、筐体１の内側の側面である筐体側面１ｂおよび蓋部２の裏面側である蓋部裏面２ｃにも、３ヶ所に分散実装されている電気回路の一部である電気回路３ｂおよび電気回路３ｃがそれぞれ実装されている。

なお、基板３上に実装されたＬＤ５やモニタＰＤ６等の光電変換部品や光学回路４と筐体底面１ａ、筐体側面１ｂ、蓋部裏面２ｃに分散実装された電気回路３ａ，３ｂ，３ｃそれぞれとの間、および、分散実装された電気回路３ａ，３ｂ，３ｃそれぞれの相互間は、フレキシブル基板や、筐体底面１ａ、筐体側面１ｂ、蓋部裏面２ｃ上に形成された配線パターンやワイヤボンディング等によって電気的に接続される。また、筐体１や蓋部２は、前述したように、少なくとも内面側はセラミック材を用いた構造としているので、基板３と同様、筐体１内面や蓋部裏面２ｃに配線パターンや電極を形成することができる。

そして、電気回路３ａ，３ｂ，３ｃは、それぞれ、光学回路４、ＬＤ５やモニタＰＤ６等の光学系部品との接続に当たって、それぞれの電気的な配線長が可能な限り短くなるように、機能別に纏めた単位にして、配置するようにしている。例えば、送信系の回路、受信系の回路、さらには、電源系の回路、等に分割して実装する。そして、例えば、送信系の回路を構成する電気回路については、ＬＤ５の近傍に位置するように、電気回路３ｂとして、筐体側面１ｂに配置し、受信系の回路を構成する電気回路については、モニタＰＤ６の近傍に位置するように、電気回路３ｃとして、蓋部裏面２ｃに配置することが望ましい。そして、電源系の回路については、発熱による影響やノイズによる妨害波の影響が抑えられるように、電気回路３ａとして、筐体底面１ａに配置することが望ましい。

つまり、図１に示すように、基板３が筐体底面１ａを殆ど覆うように実装されている構造の場合、熱源となる発熱性の部品や回路から構成される電気回路例えば電源系の回路については、冷却用部品とともに筐体底面１ａに電気回路３ａとして実装するようにすれば、筐体１を放熱材として熱伝導させて筐体１表面から外部へ放熱させることが可能であるのみならず、筐体１内を略上下に分断した状態に配置された基板３により、発熱性がある電気回路例えば電源系の回路から筐体１内の上部側への放熱を遮蔽することができる。而して、高温による部品劣化を防止して、光モジュールパッケージとしての動作を継続して安定させることができる。

さらには、例えば、スイッチング周波数のノイズが発生する可能性がある電源系の回路のように、電気的なノイズが発生する電気系部品や回路が存在する電気回路を筐体底面１ａに電気回路３ａとして実装するようにすれば、光学回路４やＬＤ５、モニタＰＤ６等の光学系部品のみを搭載している基板３により、電気回路３ａから他の電気回路（電気回路３ｂ，３ｃ）へ向かって放射されるノイズを遮断することができる。而して、ノイズによる誤動作を防止して、光モジュールパッケージとしての動作を継続して安定させることができる。

なお、図１には、電気系部品により構成される電気回路の実装位置が、筐体底面１ａ、筐体側面１ｂおよび蓋部裏面２ｃの３ヶ所に分散実装されている場合について説明した。しかし、本発明は、３ヶ所に分散実装する場合だけに限るものではなく、電気系部品により構成される１ないし複数の電気回路を、筐体底面１ａ、筐体側面１ｂ、蓋部裏面２ｃのうちいずれか１ないし複数の箇所（１ヶ所、または、２ヶ所、または、本実施形態のような３ヶ所）に実装するようにしても構わない。また、モニタＰＤ６は、電流・電圧変換を行うトランスインピーダンスアンプ（TransImpedance Amplifier：ＴＩＡ）を接続して一体化した形で実装するようにしても良い。

（実施形態の効果の説明）
以上に詳細に説明したように、本実施形態においては、以下のような効果が得られる。

第１に、光学系部品と電気系部品との実装位置を完全に分離しているので、光モジュールパッケージを構成する光学系部品の配置箇所の自由度を向上させて、光軸合わせ、光強度等の光学的性能を優先的に確保することができる。

第２に、電気系部品の実装位置を筐体底面１ａや筐体側面１ｂや蓋部裏面２ｃの空きスペースとしているので、光学系部品のみが実装されることになる基板３の小型化が可能になり、光モジュールパッケージの小型化を図ることができるのみならず、実装部品数をさらに増加させて、さらなる多機能化を実現することも可能になる。

第３に、基板３を筐体底面１ａの殆どを覆うように実装していて、筐体底面１ａ側に実装する電気系部品については、該電気系部品の上側方向が基板３によって覆われることになるので、該電気系部品や該電気系部品により構成される電気回路３ａが発する熱の基板３上側方向への伝搬を遮断することができ、さらには、該電気系部品や該電気系部品により構成される電気回路３ａからのノイズも遮断することができ、光モジュールパッケージとして安定した動作を実現することができる。

以上、本発明の好適な実施形態の構成を説明した。しかし、かかる実施形態は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であることが、当業者には容易に理解できよう。例えば、本発明に係る光モジュールパッケージは、情報機器内の装置内光インタコネクションに適用する場合に限るものではなく、装置間を高速伝送する光伝送システム用としても適用することができることは言うまでもない。

１ 筐体
１ａ 筐体底面
１ｂ 筐体側面
２ 蓋部
２ｃ 蓋部裏面
３ 基板
３ａ 電気回路
３ｂ 電気回路
３ｃ 電気回路
４ 光学回路
５ ＬＤ（Laser Diode）
６ モニタＰＤ（Photo Diode）
７ａ スペーサ
７ｂ スペーサ
８ 光導波路
３１ 電気回路

Claims (10)

1. 上面が蓋部により封止された密封構造を有する筐体と、
   前記蓋部に平行に配置された基板と、
   前記筐体の外部側面に配置された光導波路と、
   前記光導波路に光信号を入出力する光学回路、及び前記光学回路に光信号を入出力する光電変換部品を備え、前記基板上に配置された光学系部品と、
   前記筐体の内部側面に電気系部品が配置され、前記光電変換部品に電気信号を入出力する第１電気回路と、を備える光モジュールパッケージ。
2. 前記蓋部に配置された第２電気回路を備える請求項１に記載の光モジュールパッケージ。
3. 前記基板が前記筐体底面を覆うように実装され、発熱系の部品もしくは回路が存在する電気回路、または、ノイズを発生する部品もしく回路が存在する電気回路であり、第３電気回路と、を備え、
   第３電気回路は、前記筐体底面に配置されている請求項１または２に記載の光モジュールパッケージ。
4. 前記第３電気回路は、発熱系の部品もしくは回路が存在する電気回路であり、
   前記第３電気回路の冷却する冷却用部品を前記筐体底面に備える、請求項３に記載の光モジュールパッケージ。
5. 前記筐体は、少なくとも内面側がセラミック材によって形成されており、
   前記第１電気回路は、前記セラミック材上に配線されている、請求項１から４のいずれかに記載の光モジュールパッケージ。
6. 筐体の上面を蓋部により封止された密封構造とし、
   前記蓋部に平行に基板を配置し、
   前記筐体の外部側面に光導波路を配置し、
   前記光導波路に光信号を入出力する光学回路、及び前記光学回路に光信号を入出力する光電変換部品を備える光学系部品を、前記基板上に配置し、
   前記光電変換部品に電気信号を入出力する第１電気回路の電気系部品を前記筐体の内部側面に配置する光モジュールパッケージ実装方法。
7. 第２電気回路を前記蓋部に配置する請求項６に記載の光モジュールパッケージ実装方法。
8. 前記基板が前記筐体底面を覆うように実装され、発熱系の部品もしくは回路が存在する電気回路、または、ノイズを発生する部品もしく回路が存在する電気回路であり、第３電気回路を、前記筐体底面に配置する請求項６または７に記載の光モジュールパッケージ実装方法。
9. 前記第３電気回路は、発熱系の部品もしくは回路が存在する電気回路であり、
   前記第３電気回路の冷却する冷却用部品を前記筐体底面に配置する請求項８に記載の光モジュールパッケージ実装方法。
10. 前記筐体の少なくとも内面側をセラミック材によって形成し、
    前記第１電気回路は、前記セラミック材上に配線する請求項６から９のいずれかに記載の光モジュールパッケージ実装方法。

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