WO2015132849A1 - 光電気変換モジュールおよびそれを用いた情報装置 - Google Patents

光電気変換モジュールおよびそれを用いた情報装置 Download PDF

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一男 石山
康信 松岡
有本　英生
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株式会社日立製作所
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Definitions

  • the present invention relates to an information device that enables large capacity signal processing, large capacity signal transmission, and large capacity signal storage.
  • Interconnect technology can be divided into inter-device transmission, intra-device transmission (backplane), and inter-chip transmission according to the distance of signal transmission.
  • electrical transmission has been used.
  • optical interconnect technology has begun to be introduced between nodes having a long transmission distance.
  • the transmission loss increases as the transmission speed increases, and as a result, the transmission distance becomes shorter.
  • the application of low dielectric constant substrates, pre-emphasis, and additional circuits such as equalizers have been used to increase the transmission speed, but even with these technologies, the transmission speed and transmission distance equivalent to backplane transmission are 10 Gbps and 1 m are said to be the limits of electrical transmission (Non-Patent Document 1).
  • the transmission capacity of the backplane that connects the backbone routers and large-scale server equipment boards exceeds 1 Mbps in 2008, and is expected to increase at a rate of 1.5 times a year in the future. In 2014, transmission technology exceeding 25 Gbps is required, and the bandwidth limitation of the electric backplane becomes serious.
  • backplane opticalization optical backplane
  • the optical / electrical conversion module for optical interconnects is mounted on the optical subassembly and the optical subassembly that enables optical coupling between the optical element mounted on the optical subassembly and the optical transmission body (optical fiber or optical waveguide). It is comprised from the electrical connector which electrically connects the electronic circuit currently made and the apparatus board.
  • the photoelectric conversion module is mounted after being electrically connected to the device board (here, the device board refers to an interface board and a switch board in the transmission device).
  • This optical subassembly includes a laser diode that emits an optical signal, an optical element of a photodiode that converts the optical signal to an electrical signal, a laser driver electronic circuit that drives the laser diode to convert the optical signal to an electrical signal, and a photo diode.
  • a transimpedance electronic circuit for amplifying an electric signal from the diode is mounted on the electric wiring board.
  • Non-patent Document 2 A multi-core fiber is an optical fiber having a plurality of cores.
  • the clad diameter is almost the same as that of a conventional optical fiber, in addition to an increase in transmission capacity due to spatial multiplexing, space utilization efficiency is high, and it is necessary for an optical interconnect in which a large number of optical fibers are wired in a narrow space.
  • optical elements laser diodes and photodiodes
  • the optical coupling between the multi-core fiber and the optical element is performed by a butt joint method (butting method) (Patent Document 1, Non-Patent Document 3).
  • a grating coupler that is optically connected to the optical waveguide and the optical element is arranged in accordance with the core arrangement of the multi-core fiber. Also in this case, the optical coupling between the multi-core fiber and the grating coupler is taken by the butt joint method (Non-patent Document 4).
  • the photoelectric conversion module for optical interconnects mounted with the two types of conventional multi-core fibers described in the background art has the following problems.
  • the end face of the multi-core fiber is in contact with the optical element face, so that the multi-core fiber is perpendicular to the optical sub-assembly face.
  • the optical subassembly is perpendicular to the board surface, so that it becomes tall, and if the distance between the device boards is short, there is a problem that it cannot be mounted on the device board.
  • As means for solving this problem that is, as means for reducing the height, it is conceivable to bend the multi-core fiber and mount the optical subassembly surface horizontally on the board surface.
  • the multicore fiber has a larger bending loss than the conventional (single core) single mode fiber, it is difficult to reduce the height by bending the fiber.
  • the bending loss of a single mode fiber is 1 dB or less, and the bending loss of a multi-core fiber is 3.4 dB (Non-patent Document 5).
  • the multi-core fiber is coupled to the grating coupler formed on the optical subassembly surface with a butt joint. Therefore, when this module is mounted on the device board, the optical subassembly surface is in relation to the device board surface. Become vertical and tall. In addition, it is necessary to bend the multi-core fiber in order to reduce the height.
  • An object of the present invention is to provide a photoelectric conversion module using a large-capacity multi-core fiber capable of low-profile mounting, and a large-capacity information device in which the photoelectric conversion module is mounted in an apparatus board.
  • the information device includes information processing, information communication, and an information storage device.
  • the present invention includes a plurality of means for solving the above problems.
  • an optical element that transmits or receives an optical signal and an electronic circuit connected to the optical element are electrically connected.
  • An optical subassembly mounted on a wiring board; an optical connector including a single-core or multi-core multicore fiber; and a plurality of optical waveguides having individual optical path conversion units that are optically coupled to the optical element.
  • the core of the multi-core fiber is optically coupled with the optical elements in the order close to the multi-core fiber in order from the top.
  • the optical elements are arranged so as to be shifted from the optical subassembly by the core interval of the multicore fiber in the horizontal direction.
  • a large-capacity photoelectric conversion module capable of low-profile mounting using a multi-core fiber can be provided.
  • a large capacity information device having a signal capacity of 10 Tbps or more can be provided.
  • FIG. 1 It is sectional drawing of the photoelectric conversion module of Example 1 of this invention. It is a top view which shows the optical coupling method of the multi-core fiber of Example 1 of this invention, an optical waveguide, and an optical element. It is a side view which shows the optical coupling method of the multi-core fiber of Example 1 of this invention, an optical waveguide, and an optical element. It is a figure which shows the part of the optical waveguide and optical connector of Example 1 of this invention. It is a figure which shows the information apparatus carrying the photoelectric conversion module of Example 1 of this invention. It is a top view which shows the optical coupling method of the multi-core fiber of Example 2 of this invention, an optical waveguide, and an optical element.
  • Example 1 of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the photoelectric conversion module.
  • An optical element (light emitting element or light receiving element) 1 and an electronic circuit 2 (light emitting element driving circuit or electric signal amplifier circuit) are flip-chip mounted on an electric wiring substrate 3.
  • the electrical wiring substrate 3 is made of a material that transmits light from the light emitting element. For example, when the wavelength of light is 1 ⁇ m or more, Si is used as the material for the electrical wiring substrate 3.
  • a material for a light emitting element and a light receiving element, which are optical elements an InP compound semiconductor or Si, Ge semiconductor can be used.
  • a lens 4 for condensing light is formed on a surface opposite to the surface of the electrical wiring substrate 3 on which the optical element 1 and the electronic circuit 2 are mounted.
  • the optical waveguide 6 with an optical path conversion unit has an individual optical path conversion unit in each optical waveguide.
  • a polymer material or the like can be applied as the material of the optical waveguide.
  • the end face of the optical waveguide 6 with the optical path changing section opposite to the optical path changing section is connected to the end face of the multi-core fiber optical connector 7 having one or more multi-core fibers 8 so that the optical coupling loss is minimized.
  • the multi-core fiber optical connector 7 for example, a multi-core fiber mounted on an MT connector which is one of the conventional multi-core fiber connectors can be considered.
  • the multi-core fiber optical connector 7 is fixed to the electric wiring board 3 with an adhesive.
  • a method of fixing the receptacle of the optical connector to the electrical wiring board 3 and fixing the multi-core fiber optical connector 7 to the receptacle of the optical connector with a guide pin and a leaf spring or the like is also conceivable so that the optical connector can be removed.
  • FIG. 2 is a view of the positional relationship among the multi-core fiber 16, the optical waveguide 15, and the optical element 13 as viewed from above.
  • FIG. 3 is a side view.
  • a case of a square lattice arrangement will be described as the core arrangement of a multicore fiber.
  • a total of six cores 17 are arranged in three rows in two rows in one multi-core fiber.
  • the core may be a single mode core or a multimode core.
  • each optical element array 13 has a horizontal direction of the core 17 of the multi-core fiber 16 (a direction parallel to the surface of the electric wiring substrate 3 on which the optical element array is mounted is called a horizontal direction). Staggered with a gap of the core spacing.
  • connection relationship between the core 17 of the multicore fiber 16 and the optical element 13 is optically coupled to the optical element 13 in the order closer to the multicore fiber 16 in order from the top of the core 17 of the multicore fiber 16.
  • the optical waveguide 6 and the multi-core fiber optical connector 7 will be described with reference to FIG.
  • the optical waveguide includes an optical waveguide core 40 and an optical waveguide clad 41.
  • the optical waveguide core 40 is formed of a material having a high refractive index
  • the optical waveguide clad 41 is formed of a material having a low refractive index.
  • the optical path conversion mirror 42 of the optical path conversion unit can be formed by an etching process. For example, polymer or silica may be applied as the material.
  • the multi-core fiber optical connector 7 has a multi-core fiber mounting hole 43, and the multi-core fiber 8 is passed through the hole, and then bonded and fixed.
  • the optical connection method between the multi-core fiber 8 and the optical waveguide core 40 may be a physical contact or a lens (FIGS. 3 and 4 show the case of physical contact).
  • the maximum difference in optical waveguide length is proportional to the total number of cores of the multicore fiber.
  • the difference in signal arrival time needs to be about 20% or less of the transmission signal pulse time width. Therefore, the maximum value of the total number of cores of the multi-core fiber needs to be determined so as to satisfy this condition.
  • the maximum optical waveguide length difference is 150 ⁇ m.
  • the refractive index of the optical waveguide core is 1.58, the optical signal speed in the optical waveguide is about 1.9 ⁇ 10 8 m / second, so the maximum signal arrival time difference is about 8 picoseconds. Assuming 25 Gbps transmission, this signal arrival time difference is about 20% of the transmission signal pulse time width, and there is no deterioration in transmission quality. However, when the number of cores is 8 cores or more, there is a concern about deterioration in transmission quality.
  • the electrical connector 9 can be a one-dimensional array type in-line connector or a two-dimensional array type electrical connector, and is electrically connected to the electrical wiring board 3.
  • the electrical connector 9 By connecting the electrical connector 9 to the electrical connection socket 10 mounted on the device board 11, the radiator 12 and the optical subassembly 5 (the optical subassembly 5 is the optical element 1, the electronic circuit 2, the electrical wiring).
  • an optical coupling module of the present invention comprising: an optical waveguide 6 with an optical path conversion section; an optical coupling section composed of a multicore fiber connector 7 and a multicore fiber 8; and an electrical connector 9. It can be mounted on the board 11.
  • tungsten, molybdenum having a low thermal expansion coefficient, a composite material of tungsten, molybdenum and copper, and a composite material of aluminum silicon carbide and aluminum nitride ceramics can be applied.
  • FIG. 5 shows an example in which the photoelectric conversion module is applied to an information device.
  • the information apparatus includes a plurality of line cards 24, a switch card 31, and a backplane optical fiber 26 and a backplane 25 that connect the cards.
  • the line card 24 is mounted with a backplane connector 19, a power connector 20, the photoelectric conversion module 21, an electronic circuit 22, and an interface card 23.
  • the optical elements are arranged in a staggered manner, the intervals between the light conversion units or the optical elements can be made relatively wide.
  • FIG. 6 is a top view of the positional relationship among the multi-core fiber, the optical waveguide, and the optical element.
  • FIG. 7 is a side view.
  • the arrangement of the cores 17 of the multicore fiber 16 is the same as that in the first embodiment.
  • the optical elements of this embodiment are arranged so that the optical element arrays of the same number as the number of cores in the multi-core fiber 16 are shifted by the horizontal core interval of the multi-core fibers.
  • the three optical element arrays are arranged so as to be shifted by the horizontal core interval of the multi-core fiber.
  • a large-capacity photoelectric conversion module capable of low-profile mounting using a multi-core fiber can be provided.
  • the arrangement structure of the optical elements is relatively simple as compared with the first embodiment.
  • FIG. 8 is a top view of the positional relationship among the multi-core fiber, the optical waveguide, and the optical element.
  • FIG. 9 is a side view.
  • the arrangement of the cores 17 of the multicore fiber 16 is a concentric arrangement.
  • the number of cores of the multi-core fiber is seven.
  • the optical elements are arranged in the order from the top of the core of the multi-core fiber so as to be shifted by the core interval in the horizontal direction. That is, first, with respect to the two upper cores, two optical elements are arranged in the horizontal direction so as to be shifted by the core interval. Next, with respect to the three cores in the middle stage, three optical elements are arranged in the horizontal direction by being shifted by the core interval. Next, with respect to the two lower cores, two optical elements are arranged in the horizontal direction by being shifted by the core interval.
  • a large-capacity photoelectric conversion module capable of low-profile mounting using a multi-core fiber can be provided. Further, according to the present embodiment, since the core arrangement of the multi-core fiber is a concentric arrangement, the interval between the cores in the multi-core fiber can be widened on average.
  • Example 4 of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the structure of the electric wiring board is changed.
  • the optical connection between the optical element 1 and the optical waveguide 6 with an optical path changing unit is performed through an optical through hole 32 having a hole formed in the electric wiring board 3.
  • the width of the optical through hole may be uniform, or may be gradually narrowed with respect to the propagation direction of the optical signal.
  • the wavelength of light is not limited to the absorption wavelength band of the electric wiring board, and an arbitrary wavelength of light can be selected. Further, a material that does not transmit light can be used for the electrical wiring board.
  • Example 5 of the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, the arrangement of the optical waveguide 6 with an optical path changing portion and the multi-core fiber optical connector 7 on the electric wiring board is changed.
  • the optical element 1 and the electronic circuit 2 are mounted on the electric wiring board 3.
  • a plurality of optical waveguides 6 on the same side as the surface on which the optical element 1 and the electronic circuit 2 are mounted on the electrical wiring substrate 3 and having individual optical path conversion portions on the optical element 1 are provided. Deploy.
  • the optical waveguide can be brought close to the optical element, and optical transmission can be performed efficiently.
  • FIG. 12 is a plan view of an information device on which the photoelectric conversion module is mounted
  • FIG. 13 is a side view of the information device on which the photoelectric conversion module is mounted.
  • the photoelectric conversion module of the present invention is disposed in proximity to the switch LSI 34 on the device board.
  • the switch LSI 34 is mounted on the back surface of the interposer 33, and the photoelectric conversion module of the present invention is mounted on the front surface from all sides.
  • the interposer 33 is disposed on the device board.
  • FIG. 13 shows a connection configuration example of the switch LSI 34 and the photoelectric conversion module via the interposer 33.
  • a switch LSI 34 is mounted on one surface of the interposer 33 and connected by solder bumps 37.
  • An electronic component 35 and a photoelectric conversion module are mounted on the other surface of the interposer 33, and the electronic component 35 and the switch LSI 34 are electrically connected by a via wiring 38 provided in the interposer 33.
  • the photoelectric conversion module includes an optical connector 7 to which a multi-core fiber 8 is connected, an optical waveguide 6 with an optical path conversion unit, and an optical subassembly 5.
  • a heat sink 36 is connected to the switch LSI 34 and is thermally connected by a heat dissipation via wiring 39 provided in the interposer 33.
  • the use of the interposer 33 enables high-density electrical wiring, so that many photoelectric conversion modules can be arranged close to the switch LSI 34.
  • Si or the like is used as a material for the interposer 33.

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Abstract

　低背実装が可能な大容量のマルチコアファイバを用いた光電気変換モジュール、およびそれを装置ボード内に搭載した大容量情報装置を提供する。　光電気変換モジュールは、光信号を発信または受信する光素子１と、前記光素子に接続された電子回路２を電気配線用基板３に搭載した光サブアセンブリ５と、一芯または多芯のマルチコアファイバ８を具備した光コネクタ７と、前記光素子と光学的に結合する、個別の光路変換部を有する複数の光導波路６を備え、端面で前記マルチコアファイバのコア１７と接続する光結合部と、から構成される。そして、マルチコアファイバのコアを上から順に、マルチコアファイバに近い順の光素子と光結合する。また、光サブアセンブリに対して水平方向のマルチコアファイバのコア間隔分ずらせて、各光素子を配置する。

Description

光電気変換モジュールおよびそれを用いた情報装置
　本発明は、大容量信号処理、大容量信号伝送、大容量信号記憶を可能にする情報装置に関する。
　近年、データセンタにおけるサーバ、ルータ、ストレージ等の情報装置において、情報記憶容量の飛躍的な増加に伴い、通信トラフィックの整備が急務である。しかし、従来の電気インターコネクト（電気配線）の高速化に限界が見え始めており、その打開策として、光インターコネクト技術の導入が検討されている。
　インターコネクト技術は、信号を伝送する距離によって、装置間伝送、装置内伝送（バックプレーン）、チップ間伝送に分けられる。いずれの伝送も電気伝送が用いられてきたが、要求される伝送速度が増すにつれて、伝送距離が長いノード間から光インターコネクト技術が導入され始めてきた。電気信号伝送は伝送速度が増加するほど伝送損失が大きくなり、その結果、伝送距離が短くなる。低誘電率基板の適用やプリエンファシスならびにイコライザーなどの付加回路によって、これまで伝送速度の増加を図ってきたが、これらの技術を用いても、バックプレーン伝送に相当する伝送速度と伝送距離は、それぞれ、１０Ｇｂｐｓ、１ｍが電気伝送の限界と言われている（非特許文献１）。
　基幹ルータや大規模サーバの装置ボード間を接続するバックプレーンの伝送容量は２００８年に１Ｔｂｐｓを超え、今後、１年に１．５倍のペースで増加することが予想される。２０１４年には、２５Ｇｂｐｓを超える伝送技術が必要であり、電気バックプレーンの帯域制限が深刻になる。この電気バックプレーンの帯域ボトルネックを解消する手段として、すでに述べた通り、バックプレーンの光化（光バックプレーン）の導入が期待されている。光は電気と異なり、非干渉性であるため、伝送路間隔を狭ピッチ化しても、伝送路間相互作用が原因として生じるクロストークは発生しない。さらに、光の反射による損失や伝送損失に関しても、周波数依存性がなく、制御が容易である。このように、高周波伝送路の光化は、従来の電気伝送に比べて、大容量伝送の可能性を秘めており、光インターコネクト技術（光電気変換モジュール、光ファイバ配線）に関する開発が盛んになってきている。
　光インターコネクト向け光電気変換モジュールは、光サブアセンブリ、光サブアセンブリに搭載されている光素子と光伝送体（光ファイバまたは光導波路）を光学的に結合可能にする光コネクタ、光サブアセンブリに搭載されている電子回路と装置ボードとを電気的に接続する電気コネクタから構成される。光電気変換モジュールはこの装置ボード（ここで、装置ボードとは、伝送装置内におけるインターフェースボードとスイッチボードのことを示す。）上に電気的に接続された後、搭載される。この光サブアセンブリは、光信号を発信するレーザダイオードと光信号を電気信号に変換するフォトダイオードの光素子と、光信号を電気信号に変換するためにレーザダイオードを駆動するレーザドライバ電子回路とフォトダイオードからの電気信号を増幅するためのトランスインピーダンス電子回路が電気配線用基板に搭載されている。
　今後さらなる伝送容量の増大に伴い、光インターコネクトの伝送容量増大も望まれることが予想される。光インターコネクトの伝送容量を増大する手段として、１）チャンネル当たりの伝送速度を上げる、２）波長多重方式を用いる、３）空間多重方式を用いるなどの方法がある。３）の空間多重方式を用いる場合、伝送媒体としてマルチコアファイバを用いることが提案されている（非特許文献２）。マルチコアファイバとは、複数のコアを有する光ファイバである。そのクラッド径は従来の光ファイバとほぼ同じであるため、空間多重による伝送容量増大に加えて、空間利用効率が高く、狭い空間に多数の光ファイバを配線する光インターコネクトにおいて必要である。
　これまで報告されているマルチコアファイバを用いた光インターコネクト向け光電気変換モジュールの形態として、以下の二種類の形態がある。
　第一のモジュール形態では、マルチコアファイバのコア配置（同心円）に合せて、光素子（レーザダイオードとフォトダイオード）を配置している。この場合、バットジョイント法（突きわせ法）により、マルチコアファイバと光素子の光結合をとっている（特許文献１、非特許文献３）。
　第二のモジュール形態では、マルチコアファイバのコア配置に合せて、光導波路ならびに光素子と光学的に接続しているグレーティングカプラーを配置している。この場合も、バットジョイント法により、マルチコアファイバとグレーティングカプラーの光結合をとっている（非特許文献４）。
特表２０１２－５１４７８６号公報
小倉："光インターコネクト用光送受信器の最新技術"，Ｏｐｌｕｓ Ｅ，ｐ．１４０　（２００７）． 中沢ら："光通信はエクサビットをめざす"，ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ，Ｎｏ．６，ｐ．５８（２０１３） Ｂ．Ｇ．Ｌｅｅ　ｅｔ　ａｌ．："Ｅｎｄ－ｔｏ－Ｅｎｄ　Ｍｕｌｔｉｃｏｒｅ　Ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ　Ｆｉｂｅｒ　Ｏｐｔｉｃ　ＬｉｎｋＯｐｅｒａｔｉｎｇ　ｕｐｔｏ１２０Ｇｂ／ｓ"，Ｊ．　ｏｆ　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．３０，Ｎｏ．６，ｐ．８８６　（２０１２）． Ｓ．Ｂｉｃｋｈａｍ　ｅｔ　ａｌ．"Ｎｏｖｅｌ　Ｆｉｂｅｒ　ｆｏｒ　Ｄａｔａ　Ｃｅｎｔｅｒｓ　ａｎｄ　Ｈｉｇｈ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，Ｐｒｏｃ．　ｏｆ　ＣＬＥＯ－ＰＲ　ＯＥＣＣ／ＰＳ　２０１３，ＴｈＳ３－１． 小柴ら："空間多重伝送用マルチコアファイバ"，フジクラ技報，第１２１号，Ｖｏｌ．２　（２０１１）．
　背景技術で述べた従来型の二種類のマルチコアファイバを実装した光インターコネクト向け光電気変換モジュールには、次のような課題がある。第一の光電気変換モジュール形態では、マルチコアファイバの端面が光素子面に突き合わせた形態をとるため、マルチコアファイバは光サブアセンブリ面に垂直になる。このモジュールを装置ボード上に搭載した場合、光サブアセンブリがボード面に対して垂直になるため、高背になり、装置ボード間距離が短い場合、装置ボード上に搭載できないという問題が生じる。この問題を解決する手段として、つまり低背にする手段として、マルチコアファイバを曲げて、光サブアセンブリ面をボード面に水平して搭載することが考えられる。しかし、マルチコアファイバは従来の（シングルコア）シングルモードファイバに比べて、曲げ損失が大きいため、ファイバを曲げることで低背化を行うことは困難である。因みに、曲げ半径５ｍｍに対して、シングルモードファイバの曲げ損失は１ｄＢ以下、マルチコアファイバの曲げ損失は３．４ｄＢである（非特許文献５）。
　第二の光電気変換モジュール形態においても、第一の形態と同様の問題が生じる。この第二の形態では、マルチコアファイバは光サブアセンブリ面に形成されたグレーティングカプラーとバットジョイント結合しているため、本モジュールを装置ボード上に搭載する場合、光サブアセンブリ面は装置ボード面に対して垂直になり、高背になる。また、低背化のためにはマルチコアファイバを曲げる必要が生じる。
　本発明は、低背実装が可能な大容量のマルチコアファイバを用いた光電気変換モジュール、およびそれを装置ボード内に搭載した大容量情報装置を提供することを目的とする。ここで、情報装置とは、情報処理、情報通信、情報記憶装置を含む。
　上記目的を達成するために、本発明は請求の範囲に記載の構成を採用する。
　本発明は、上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、光電気変換モジュールの一例を挙げるならば、光信号を発信または受信する光素子と、前記光素子に接続された電子回路を電気配線用基板に搭載した光サブアセンブリと、一芯または多芯のマルチコアファイバを具備した光コネクタと、前記光素子と光学的に結合する、個別の光路変換部を有する複数の光導波路を備え、端面で前記マルチコアファイバのコアと接続する光結合部と、から構成される光電気変換モジュールである。
　本発明の光電気変換モジュールにおいて、マルチコアファイバのコアを上から順に、マルチコアファイバに近い順の光素子と光結合するのが好ましい。
　また、本発明の光電気変換モジュールにおいて、光サブアセンブリに対して水平方向のマルチコアファイバのコア間隔分ずらせて、各光素子を配置するのが好ましい。
　本発明によれば、マルチコアファイバを用いた低背実装が可能な大容量の光電気変換モジュールを提供できる。そして、その光モジュールを装置ボード上に搭載することにより、信号容量１０Ｔｂｐｓ以上の大容量情報装置を提供することができる。
本発明の実施例１の光電気変換モジュールの断面図である。 本発明の実施例１のマルチコアファイバと光導波路と光素子との光結合方法を示す平面図である。 本発明の実施例１のマルチコアファイバと光導波路と光素子との光結合方法を示す側面図である。 本発明の実施例１の光導波路と光コネクタの部分を示す図である。 本発明の実施例１の光電気変換モジュールを搭載した情報装置を示す図である。 本発明の実施例２のマルチコアファイバと光導波路と光素子との光結合方法を示す平面図である。 本発明の実施例２のマルチコアファイバと光導波路と光素子との光結合方法を示す側面図である。 本発明の実施例３のマルチコアファイバと光導波路と光素子との光結合方法を示す平面図である。 本発明の実施例３のマルチコアファイバと光導波路と光素子との光結合方法を示す側面図である。 本発明の実施例４の、光電気変換モジュールを搭載した情報装置を示す図である。 本発明の実施例５の、光電気変換モジュールを搭載した情報装置を示す図である。 本発明の実施例６の、光電気変換モジュールを搭載した情報装置の平面図である。 本発明の実施例６の、光電気変換モジュールを搭載した情報装置の側面図である。
　以下に、図面を用いて、本発明の実施形態を詳細に述べる。なお、実施の形態を説明するための各図において、同一の機能を有する要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。
　本発明の実施例１について、図１乃至図４を用いて説明する。
　図１は、光電気変換モジュールの断面図である。光素子（発光素子または受光素子）１と電子回路２（発光素子駆動回路または電気信号増幅回路）を、電気配線用基板３にフリップチップ搭載する。電気配線用基板３は、発光素子からの光を透過させる材料からできている。例えば、光の波長が1μｍ以上の場合、電気配線用基板３の材料としてSiが用いられる。光素子である発光素子と受光素子の材料として、InP系化合物半導体またはSi，Ge半導体などが適用できる。電子回路の材料としては、SiまたはSiGeなどが適用できる。光素子１と電子回路２を搭載した電気配線用基板３の面と反対側の面に光を集光するためのレンズ４を形成する。光路変換部付き光導波路６は、各光導波路に個別の光路変換部を有する。ここで、光導波路の材料として、ポリマー材料などが適用できる。光路変換部付き光導波路６の光路変換部と反対側の端面は、マルチコアファイバ８を一芯または二芯以上具備したマルチコアファイバ光コネクタ７の端面と光学的結合損失が最小になるように接続されている。マルチコアファイバ光コネクタ７は、例えば、従来の多芯ファイバコネクタの一つであるMTコネクタにマルチコアファイバを実装したものが考えられる。マルチコアファイバ光コネクタ７は、電気配線用基板３に接着剤で固定する。または、取り外しができるように、光コネクタのレセプタクルを電気配線用基板３に接着固定し、その光コネクタのレセプタクルにマルチコアファイバ光コネクタ７をガイドピンと板ばねなどで固定する方法も考えられる。
　図２および図３を用いて光素子アレイ１３の配置方法について説明する。図２は、マルチコアファイバ１６と光導波路１５と光素子１３の位置関係を上から見た図である。一方、図３は横から見た図である。本実施例では、マルチコアファイバのコア配列として、正方格子配列の場合について説明する。図の例では、１つのマルチコアファイバに、コア１７が、２列に一列３個、計６個配列されている。ここで、コアはシングルモードコアでも、マルチモードコアでも構わない。マルチコアファイバ１６のコア１７と、光路変換部付き光導波路１５と、光素子の発光部または受光部１４は、上記で説明したレンズ４と光導波路１５の光路変換部を介して、光学的に結合されている。図３に示すように、光ビーム１８は、光導波路１５の光路変換部と光素子１３の発光部または受光部との間で、レンズ４により収束される。図２に示す通り、各光素子アレイ１３は、マルチコアファイバ１６のコア１７の水平方向（光素子アレイが搭載されている電気配線用基板３の面に対して平行方向を水平方向とよぶ。）のコア間隔分ずれて、千鳥配置されている。マルチコアファイバ１６のコア１７と光素子１３との接続関係は、マルチコアファイバ１６のコア１７の上から順に、マルチコアファイバ１６に近い順の光素子１３と光結合する。このように光学的に接続することで、光導波路１５は概ね直線導波路となり、光導波路を短くでき、かつ曲げによる損失を小さくできるメリットがある。
　図４を用いて、光導波路６とマルチコアファイバ光コネクタ７の部分について説明する。光導波路は、光導波路コア４０と光導波路クラッド４１から構成される。屈折率の高い材料で光導波路コア４０を、屈折率の低い材料で光導波路クラッド４１を形成する。光路変換部の光路変換ミラー４２は、エッチングプロセスで形成することができる。材料として、例えば、ポリマーまたはシリカなどを適用してもよい。マルチコアファイバ光コネクタ７には、マルチコアファイバの実装用穴４３があり、その穴にマルチコアファイバ８を通した後、接着固定を行う。マルチコアファイバ８と光導波路コア４０との光接続方法は、フィジカルコンタクトでもレンズを使用してもよい（図３、図４はフィジカルコンタクトの場合を示す。）。
　各チャネルの光信号を伝送する光導波路長に差がある場合、信号の到達時間に差が生じるため、伝送の品質が劣化する。本実施例では、光導波路長の最大差は、マルチコアファイバのコア総数に比例する。伝送の品質劣化を防ぐためには、信号の到達時間の差は、伝送信号パルス時間幅の約２０％以下で有る必要がある。従って、マルチコアファイバのコア総数の最大値は、この条件を満足するように決定される必要がある。マルチコアファイバのコア数を７、光素子アレイの各素子間距離を２５０μｍとすると、最大光導波路長差は１５０μｍとなる。光導波路コアの屈折率を１．５８とすると、光導波路内での光信号速度は約１．９×１０８ｍ／秒であるため、最大の信号到達時間差は約８ピコ秒となる。２５Ｇｂｐｓの伝送を想定した場合、この信号到達時間差は伝送信号パルス時間幅の２０％程度となり、伝送の品質の劣化はない。しかし、コア数が８コア以上になると伝送の品質の劣化が懸念される。
　図１において、電気コネクタ９は一次元配列型のインライン型コネクタまたは二次元配列型の電気コネクタを用いることができ、電気配線用基板３に電気的に接続されている。この電気コネクタ９を装置ボード１１上に搭載された電気コネクト用ソケット１０に接続することで、放熱器１２と、光サブアセンブリ５（光サブアセンブリ５は、光素子１、電子回路２、電気配線用基板３から構成される。）と、光路変換部付き光導波路６とマルチコアファイバコネクタ７とマルチコアファイバ８から構成される光結合部と、電気コネクタ９からなる本発明の光電気変換モジュールを装置ボード１１上に搭載できる。放熱器１２の材料として、熱伝導性がよく、熱膨張率の小さいタングステン、モリブデンの単体と、タングステン、モリブデンと銅との複合材料及びアルミシリコンカーバイト、窒化アルミニウムセラミックスの複合材料などが適用できる。
　図５に、光電気変換モジュールを情報装置に適用した場合の例を示す。本情報装置は、複数のラインカード２４とスイッチカード３１とそれらカード間を接続するバックプレーン光ファイバ２６、バックプレーン２５から構成される。ラインカード２４には、バックプレーンコネクタ１９、電源コネクタ２０、上記の光電気変換モジュール２１、電子回路２２、インターフェースカード２３が搭載されている。スイッチカード３１には、バックプレーンコネクタ２７、電源コネクタ２８、上記の光電気変換モジュール２９、電子回路３０が搭載されている。
　本実施例によれば、マルチコアファイバを用いた低背実装が可能な大容量の光電気変換モジュールを提供できる。また、本実施例では、各光素子を千鳥配置するので、光変換部或いは光素子の間隔を比較的広くとることができる。
　本発明の実施例２の、マルチコアファイバと光導波路と光素子との光結合方法の形態について、図６、図７を用いて説明する。図６はマルチコアファイバと光導波路と光素子の位置関係を上から見た図である。一方、図７は横から見た図である。
　マルチコアファイバ１６のコア１７の配列は、実施例１と同様である。本実施例の各光素子の配置は、マルチコアファイバ１６の縦列のコア数と同数の光素子アレイ毎に、マルチコアファイバの水平方向のコア間隔分ずらせて配置する。この例では、マルチコアファイバの縦列のコア数は３であるため、三つの光素子アレイ毎にマルチコアファイバの水平方向のコア間隔分ずらせて配置する。
　本実施例においても、実施例１と同様に、マルチコアファイバを用いた低背実装が可能な大容量の光電気変換モジュールを提供できる。また、本実施例によれば、実施例１に比べて、光素子の配置構造が比較的簡単である。
　本発明の実施例３の、マルチコアファイバと光導波路と光素子との光結合方法の形態について、図８，図９を用いて説明する。図８はマルチコアファイバと光導波路と光素子の位置関係を上から見た図である。一方、図９は横から見た図である。
　本実施例において、マルチコアファイバ１６のコア１７の配列は、同心円配列である。図の例では、マルチコアファイバのコア数は７である。図８に示すように、マルチコアファイバのコアの上から順に、水平方向のコア間隔分ずらせて、各光素子を配置する。すなわち、先ず、上段の２つのコアについて、水平方向にコア間隔分ずらせて２つの光素子を配置する。次に、中段の３つのコアについて、水平方向にコア間隔分ずらせて３つの光素子を配置する。次に、下段の２つのコアについて、水平方向にコア間隔分ずらせて２つの光素子を配置する。
　本実施例においても、実施例１と同様に、マルチコアファイバを用いた低背実装が可能な大容量の光電気変換モジュールを提供できる。また、本実施例によれば、マルチコアファイバのコア配列が同心配列であるので、マルチコアファイバにおける、各コア間の間隔を平均して広くとることができる。
　本発明の実施例４について、図１０を用いて説明する。この実施例は、電気配線基板の構造を変更したものである。
　本実施例では、光素子１と光路変換部付き光導波路６との光接続を、電気配線基板３に穴をあけた光スルーホール３２を介して行う。光スルーホールの幅は一様でも、また光信号の伝搬方向に対して徐々に幅が狭くなるものでも構わない。この場合の光の波長は、電気配線基板の吸収波長帯域に制限されず、任意の光の波長を選択することができる。また、電気配線基板として、光を透過しない材料を用いることができる。
　本発明の実施例５について、図１１を用いて説明する。この実施例は、電気配線用基板上の、光路変換部付き光導波路６とマルチコアファイバ光コネクタ７の配置を変更したものである。
　本実施例では、光素子１と電子回路２を、電気配線用基板３に搭載する。そして、電気配線用基板３の、光素子１と電子回路２が搭載されている面と同じ側の面であって、光素子１の上に個別の光路変換部を有する複数の光導波路６を配置する。
　本実施例によれば、光導波路を光素子に近づけることができ、効率良く光伝送を行うことができる。
　本発明の実施例６について、図１２および図１３を用いて説明する。図１２は、光電気変換モジュールを搭載した情報装置の平面図、図１３は、光電気変換モジュールを搭載した情報装置の側面図である。本実施例は、本発明の光電気変換モジュールを、装置ボード上のスイッチＬＳＩ３４に近接して配置したものである。
　図１２において、インターポーザ３３の裏面にスイッチＬＳＩ３４を、表面に四方から本発明の光電気変換モジュールを実装している。インターポーザ３３は装置ボード上に配置される。
　図１３に、インターポーザ３３を介したスイッチＬＳＩ３４と光電気変換モジュールの接続構成例を示す。インターポーザ３３の一面にスイッチＬＳＩ３４を実装し、半田バンプ３７で接続する。インターポーザ３３の他面には、電子部品３５および光電気変換モジュールが搭載され、電子部品３５とスイッチＬＳＩ３４とはインターポーザ３３に設けたビア配線３８で電気的に接続される。光電気変換モジュールは、マルチコアファイバ８を接続した光コネクタ７、光路変換部付き光導波路６、光サブアセンブリ５から構成されている。スイッチＬＳＩ３４にはヒートシンク３６が接続されており、インターポーザ３３に設けた放熱用ビア配線３９により熱的に接続されている。
　本実施例によれば、インターポーザ３３を用いることで、高密度の電気配線が可能になるため、多くの光電気変換モジュールをスイッチＬＳＩ３４に近接させて配置することが可能になる。ここでインターポーザ３３の材料としてSiなどが用いられる。
１　光素子
２　電子回路
３　電気配線用基板
４　レンズ
５　光サブアセンブリ
６　光路変換部付光導波路
７　マルチコアファイバ光コネクタ
８　マルチコアファイバ
９　電気コネクタ
１０　電気コネクタ用ソケット
１１　装置ボード
１２　放熱器
１３　光素子アレイ
１４　光素子の発光部または受光部
１５　光路変換部付き光導波路
１６　マルチコアファイバ
１７　コア
１８　光ビーム
１９　バックプレーンコネクタ
２０　電源コネクタ
２１　光電気変換モジュール
２２　電子回路
２３　インターフェースカード
２４　ラインカード
２５　バックプレーン
２６　バックプレーン光ファイバ
２７　バックプレーンコネクタ
２８　電源コネクタ
２９　光電気変換モジュール
３０　電子回路
３１　スイッチカード
３２　光スルーホール
３３　インターポーザ
３４　スイッチＬＳＩ
３５　電子部品
３６　ヒートシンク
３７　半田バンプ
３８　ビア配線
３９　放熱用ビア配線
４０　光導波路コア
４１　光導波路クラッド
４２　光路変換ミラー部
４３　ファイバ搭載用穴

Claims (15)

  1. 　光信号を発信または受信する光素子と、前記光素子に接続された電子回路を電気配線用基板に搭載した光サブアセンブリと、
    　一芯または多芯のマルチコアファイバを具備した光コネクタと、
    　前記光素子と光学的に結合する、個別の光路変換部を有する複数の光導波路を備え、端面で前記マルチコアファイバのコアと接続する光結合部と、から構成される光電気変換モジュール。
  2. 　請求項１に記載の光電気変換モジュールにおいて、
    　マルチコアファイバのコアを上から順に、マルチコアファイバに近い順の光素子と光結合する光電気変換モジュール。
  3. 　請求項１または請求項２に記載の光電気変換モジュールにおいて、
    　光サブアセンブリに対して水平方向のマルチコアファイバのコア間隔分ずらせて、各光素子を配置した光電気変換モジュール。
  4. 　請求項３に記載の光電気変換モジュールにおいて、
    　前記各光素子を、コア間隔分ずらせて、千鳥配置した光電気変換モジュール。
  5. 　請求項３に記載の光電気変換モジュールにおいて、
    　前記各光素子を、マルチコアファイバの縦列のコア数と同数の光素子アレイ毎に、コア間隔分ずらせて配置した光電気変換モジュール。
  6. 　請求項１～請求項５の何れか１つに記載の光電気変換モジュールにおいて、
    　前記マルチコアファイバのコア配列が、正方格子配列である光電気変換モジュール。
  7. 　請求項１～請求項５の何れか１つに記載の光電気変換モジュールにおいて、
    　前記マルチコアファイバのコア配列が、同心円配列である光電気変換モジュール。
  8. 　請求項１～請求項７の何れか１つに記載の光電気変換モジュールにおいて、更に、
    　前記電気配線用基板と装置ボードを電気的に結合可能とする電気コネクタを備える光電気変換モジュール。
  9. 　請求項１～請求項８の何れか１つに記載の光電気変換モジュールにおいて、
    　前記電気配線用基板の、光素子と電子回路が搭載されている面と反対側の面に、前記光コネクタおよび前記光結合部が配置され、
    　前記電気配線用基板の、光結合部が配置される側の面であって、前記個別の光路変換部と前記光素子とを光学的に結合する光路のそれぞれに、光を集光するためのレンズが形成されている光電気変換モジュール。
  10. 　請求項１～請求項８の何れか１つに記載の光電気変換モジュールにおいて、
    　前記電気配線用基板の、光素子と電子回路が搭載されている面と反対側の面に、前記光コネクタおよび前記光結合部が配置され、
    　前記電気配線用基板の、前記個別の光路変換部と前記光素子とを光学的に結合する光路に、光を透過させるためのスルーホールが形成されている光電気変換モジュール。
  11. 　請求項１～請求項８の何れか１つに記載の光電気変換モジュールにおいて、
    　前記電気配線用基板の、光素子と電子回路が搭載されている面と同じ側の面であって、前記光素子の上に前記個別の光路変換部を有する複数の光導波路が配置されている光電気変換モジュール。
  12. 　請求項１～請求項１１の何れか１つに記載の光電気変換モジュールにおいて、
    　光信号パルスが最短の光導波路を伝搬する時の伝搬時間と、光信号パルスが最長の光導波路を伝搬する時の伝搬時間の差が、スキューの許容範囲を満たした光導波路部を有する光電気変換モジュール。
  13. 　請求項１２に記載の光電気変換モジュールにおいて、
    　前記伝搬時間の差が、伝送信号パルス時間幅の２０％以下である光電気変換モジュール。
  14. 　請求項１～請求項１３の何れか一つに記載の光電気変換モジュールを搭載した情報装置。
  15. 　請求項１４に記載の光電気変換モジュールを搭載した情報装置において、
    　インターポーザの裏側にＬＳＩを実装し、表側に複数の光電気変換モジュールを実装し、
    　前記ＬＳＩと前記光電気変換モジュールとを前記インターポーザに設けたビア配線で接続した情報装置。
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