WO2025004337A1 - 光通信モジュール - Google Patents

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optical
circuit chip
communication module
transmitter
receiver
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雅之 高橋
祥吾 山中
貴 山田
清史 菊池
芳行 土居
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/30—Optical coupling means for use between fibre and thin-film device

Definitions

  • the present invention relates to an optical communication module, and more specifically, to an optical communication module that includes multiple transmission/reception units, each of which includes an optical transmitter and an optical receiver.
  • optical communication modules and optical devices are not limited to long-distance communications; they are also used for links between data centers, between mobile phone base stations, and between edge routers, and there is an increasing demand for improved performance.
  • electronic devices that process electrical signals ICs such as DSPs, drivers, and TIAs
  • CPO copackaged optics
  • Figure 1 shows the configuration of a conventional optical communications module with optical transmission and reception functions.
  • Figure 1(a) shows the arrangement of each chip as viewed from the top of an optical communications module 10.
  • Two sets of transmission and reception units each consisting of a digital signal processing circuit chip (DSP) 12, a driver circuit chip (DRV) 13, a transimpedance amplifier circuit chip (TIA) 14, an optical circuit chip 15, and a fiber array (FA) 16, are mounted on a package substrate 11. Input and output of optical signals are performed by optical fiber 17 via the FA 16.
  • DSP digital signal processing circuit chip
  • DDRV driver circuit chip
  • TIA transimpedance amplifier circuit chip
  • FA fiber array
  • the DRV 13 amplifies the transmission electrical signal output from the DSP 12 and outputs it from the DRV output terminal group 13OUT.
  • the TIA 14 receives the reception electrical signal output from the optical circuit chip 15 via the TIA input terminal group 14IN, amplifies it, and outputs it to the DSP 12.
  • the optical circuit chip 15 includes an optical transmitter that includes an optical modulator, an optical waveguide, a splitter, an optical attenuator, etc., and an optical receiver that includes a photodiode (PD), an optical waveguide, an optical attenuator, etc. It also includes a group of transmission signal input terminals 15IN for inputting a transmission electrical signal from the DRV 13, and a group of reception signal output terminals 15OUT for outputting a reception electrical signal to the TIA 14.
  • PD photodiode
  • FIG. 2 shows the configuration of an optical circuit chip of a conventional optical communication module.
  • the optical circuit chip 15 is an optical device in which multiple circuit elements of an optical system and optical waveguides connecting them are integrated.
  • Many optical transmitters TX use a Mach-Zehnder interferometer (MZI) type optical modulator MOD that utilizes the electro-optic effect.
  • MZI type modulator MOD a traveling wave electrode 15E is arranged on an optical waveguide in the optical axis direction from the input end that inputs the CW light from the light source to the output end that outputs the transmitted optical signal.
  • the traveling wave electrode 15E needs to have a certain length, and it specifies the length in the optical axis direction of the MZI type modulator MOD.
  • the length in the optical axis direction of the MZI type modulator MOD is long, about 1 mm to 5 mm.
  • the optical transmitter TX and the optical receiver RX are arranged in parallel, so the length of the optical circuit chip 15 in the optical axis direction depends on the length of the optical transmitter TX, i.e., the length of the modulator.
  • the chip size of the optical circuit chip 15 becomes large, and there is space on the optical receiver RX side where no optical circuit elements are mounted, resulting in a problem of poor mounting efficiency of optical devices.
  • the optical communication module 10 is configured with face-down mounting using a flip chip.
  • the transmission signal input terminal group 15IN, the reception signal output terminal group 15OUT, and the traveling wave electrode 15E of the optical circuit chip 15 are formed on the bottom surface of the chip, and the configuration seen through from the top surface is shown diagrammatically in FIG. 1(a) and FIG. 2.
  • FA16 indicates the form of end face connection connected to the end face of the optical circuit chip 15.
  • Non-Patent Documents 1 and 2 it is also possible to apply a configuration in which an optical circuit chip mounted face-up is used to input and output optical signals from the top surface of the optical circuit using a grating coupler or the like.
  • the DSP 12 has multiple transmit signal output terminals and receive signal input terminals on the side that outputs the transmit electrical signal to the optical transmitter TX and the side that inputs the receive electrical signal from the optical receiver (generally referred to as the line side).
  • a digital signal processing circuit chip based on the 400GBASE-DR4 standard has a total of eight transmit signal output terminals with positive and negative phases for each of the four lanes, and a total of eight receive signal input terminals.
  • the number of fibers connected to the fiber array is nine. Four each are used for transmitting and receiving optical signals, and one is used to input CW light from the light source to the optical transmitter TX.
  • optical communications module 10 an example was shown in which two sets of transmitting and receiving units accommodating four lanes were implemented, but to increase the transmission capacity of the optical communications network, an optical communications module with double the sets of transmitting and receiving units can be manufactured.
  • CPO it was necessary to connect the optical circuit chips 15 and fiber arrays 16 for each transmitting and receiving unit, which led to issues such as increased costs due to the increased number of parts and an increase in the size of the optical communications module.
  • One embodiment of the present invention is an optical communications module having N (N is an even number) sets of transmission/reception units including optical transmitters and optical receivers, characterized in that for N digital signal processing circuit chips, K (K ⁇ N/2) optical circuit chips and K fiber arrays are provided, and along one side of the optical circuit chip, a group of transmission signal input terminals of the optical transmitter and a group of reception signal output terminals of the optical receiver are arranged, and the fiber array is connected to the side opposite to the one side.
  • This configuration reduces the increase in costs associated with an increase in components and allows for the miniaturization of the optical communications module.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a conventional optical communication module having an optical transmission and reception function.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of an optical circuit chip in a conventional optical communication module;
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of an optical communication module according to a first embodiment of the present invention;
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of an optical communication module according to a second embodiment of the present invention;
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of an optical circuit chip of an optical communication module according to a second embodiment;
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration of an optical communication module according to a third embodiment of the present invention;
  • FIG. 7 is a diagram showing a first example of an optical circuit chip of an optical communication module according to a third embodiment;
  • FIG. 8 is a diagram showing a second example of the optical circuit chip of the optical communication module according to the third embodiment
  • FIG. 9 is a diagram showing a third example of the optical circuit chip of the optical communication module according to the third embodiment
  • FIG. 10 is a diagram showing a configuration of an optical communication module according to a fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration of an optical communication module according to a fifth embodiment of the present invention
  • FIG. 12 is a diagram showing a configuration of an optical communication module according to a sixth embodiment of the present invention
  • FIG. 13 is a diagram showing the configuration of an optical communication module according to a seventh embodiment of the present invention.
  • Figure 3 shows the configuration of an optical communications module according to Example 1 of the present invention. It shows the arrangement of each chip as seen from the top of an optical communications module 20 in which two sets of transmitting and receiving units accommodating four lanes are mounted. Two sets of transmitting and receiving units each consisting of a digital signal processing circuit chip (DSP) 22, a driver circuit chip (DRV) 23, and a transimpedance amplifier circuit chip (TIA) 24 are mounted on a package substrate 21. Materials such as silicon and InP can be used as the material for the substrate 21.
  • DSP digital signal processing circuit chip
  • DVR driver circuit chip
  • TIA transimpedance amplifier circuit chip
  • optical circuit chip 25 and fiber array (FA) 26 are integrated into one.
  • a transmission signal input terminal group 25IN and a reception signal output terminal group 25OUT are arranged along one side of the optical circuit chip 25, and the FA 26 is connected to the side opposite the side.
  • the FA 26 contains 18 optical fibers 27, twice the number of 9.
  • an optical communications module includes N (N is an even number) pairs of transmitting and receiving units, it will have K (K ⁇ N/2) optical circuit chips and K fiber arrays (FAs) for N digital signal processing circuit chips (DSPs).
  • K K ⁇ N/2 optical circuit chips
  • Fs K fiber arrays
  • a group of transmission signal input terminals and a group of reception signal output terminals electrically connected to the DSP are arranged along one side of the optical circuit chip, and the FA is connected to the side opposite that side.
  • Example 1 In conventional optical communications modules, doubling the number of transmitter/receiver unit pairs increases the number of FAs, which leads to problems such as increased costs for the optical fiber connection process, costs associated with increased components, and an increase in the size of the optical communications module due to the increased area required for optical fiber connection. With the configuration of Example 1, the optical fiber connection process can be halved, preventing increases in costs and the size of the optical communications module.
  • FIG. 4 shows the configuration of an optical communications module according to a second embodiment of the present invention.
  • the arrangement of each chip is shown as seen from the top of an optical communications module 30 in which two sets of transmitting and receiving units accommodating four lanes are mounted.
  • Two sets of transmitting and receiving units each consisting of a digital signal processing circuit chip (DSP) 32, a driver circuit chip (DRV) 33, and a transimpedance amplifier circuit chip (TIA) 34, are mounted on a package substrate 31.
  • DSP digital signal processing circuit chip
  • DDRV driver circuit chip
  • TIA transimpedance amplifier circuit chip
  • Figure 5 shows the configuration of the optical circuit chip of the optical communications module of Example 2.
  • the optical circuit chip 35 which is an optical device
  • the transmission signal input terminal group 35IN2 and the reception signal output terminal group 35OUT2 for one transmitting/receiving unit are arranged along one side of the optical circuit chip 35, and the FA 36 is connected to the side opposite to the side.
  • the transmission signal input terminal group 35IN1 and the reception signal output terminal group 35OUT1 for the other transmitting/receiving unit are arranged along a side perpendicular to the side.
  • the reception signal output terminal group 35OUT1 is arranged closer to the side opposite to the side to which the FA 36 is connected than the transmission signal input terminal group 35IN1.
  • This configuration eliminates the space that was previously formed on the optical receiver RX side where no optical circuit elements were mounted, making it possible to reduce the area of the optical circuit chip 35 and reduce costs.
  • Figure 6 shows the configuration of an optical communications module according to a third embodiment of the present invention.
  • Figure 6(a) shows the arrangement of each chip as viewed from the top of an optical communications module 40.
  • the arrangement of each chip as viewed from the top of an optical communications module 40 in which two sets of transmitting and receiving units accommodating four lanes are mounted is shown.
  • Two sets of transmitting and receiving units each consisting of a digital signal processing circuit chip (DSP) 42, a driver circuit chip (DRV) 43, and a transimpedance amplifier circuit chip (TIA) 44 are mounted on a package substrate 41.
  • DSP digital signal processing circuit chip
  • DDRV driver circuit chip
  • TIA transimpedance amplifier circuit chip
  • the difference from conventional optical communications modules is that the optical circuit chip 45 has a different configuration, and the fiber array (FA) 46 is integrated into one.
  • the FA 46 accommodates 18 optical fibers 47, twice the number of nine.
  • the difference with the first and second embodiments is that in the optical circuit chip 45, the optical receiver RX and the optical transmitter TX are arranged in series in the optical axis direction of the optical modulator MOD. Accordingly, the DSP 42, the DRV 43, and the TIA 44 are arranged in series in the same optical axis direction, in that order, on the substrate 41. That is, the TIA 44 is arranged opposite one side of the optical circuit chip 45, and the DRV 43 is arranged between the DSP 42 and the TIA 44.
  • the optical communication module 40 is configured by face-down mounting using a flip chip.
  • the DRV 43 and the optical circuit chip 45 are connected by wiring 43W formed in the package substrate 41, and the optical circuit chip 45 and the TIA 44 are connected by wiring 43W.
  • FIG. 7 shows a first example of an optical circuit chip of the optical communication module of the third embodiment.
  • the received signal output terminal group 45OUT and the optical receiver RX are arranged along one side of the optical circuit chip 45, and the FA 46 is connected to the side opposite to the side.
  • the transmitted signal input terminal group 45IN and the optical modulator MOD of the optical transmitter TX are arranged between the optical receiver RX and the side opposite to the side. That is, in the conventional optical communication module, the optical transmitter TX and the optical receiver RX are arranged in parallel in the optical axis direction of the optical circuit chip 15, but in the third embodiment, they are arranged in series.
  • the dashed lines indicate the optical waveguide formed on the chip substrate, and also show the splitter 48 for distributing the CW light from the light source to each optical modulator MOD of the optical transmitter TX.
  • the CW light from the light source generally needs to be input in TE mode in the substrate 41 that uses a silicon substrate. Therefore, the optical fiber 47 connected via the FA 46 needs to be a polarization-maintaining fiber (PMF).
  • PMF polarization-maintaining fiber
  • the polarization is not specified for the transmitted light output output from the optical modulator MOD of the optical transmitter TX and the received light input received by the optical receiver RX, and a single-mode optical fiber (SMF) can be used.
  • the layout of the optical waveguide is such that the PMF can be connected on the connection end surface between the optical circuit chip 45 and the FA 46 outside the connection position of the SMF. That is, the received light input is located in the center of one side that connects to the FA 46, the transmitted light output is located on both sides of that, and the CW light input is located on both sides of that.
  • PMFs generally have a larger fiber diameter than SMFs, making it easier to ensure tolerances when fabricating a fiber array.
  • fiber arrays are generally structured by arranging fiber cores on a glass substrate with a V-groove and sandwiching them between a flat glass lid. For this reason, arranging the PMF on the outside provides a more stable structure. In this way, an optical communication module can be fabricated with high precision and high stability of optical coupling.
  • FIG. 8 shows a second example of the optical circuit chip of the optical communication module of the third embodiment.
  • the optical circuit chip 55 is an example in which the layout of the optical waveguide of the optical circuit chip 45 is modified. As shown in FIG. 8, the optical circuit chip 55 may be arranged so that the PMF connections can be performed collectively in the center of the connection end faces between the optical circuit chip 55 and the FA 46.
  • FIG. 9 shows a third example of the optical circuit chip of the optical communication module of the third embodiment.
  • the optical circuit chip 65 is an example in which the layout of the optical waveguide of the optical circuit chip 45 is modified. As shown in FIG. 9, the optical circuit chip 65 may be arranged in the center of the connection end surface between the optical circuit chip 65 and the FA 46 so that it can receive the received optical signal received by the optical receiver RX.
  • Example 3 like Examples 1 and 2, allows the area of the optical circuit chips 45, 55, and 65 to be reduced, thereby reducing costs.
  • the capacity of the photodiode (PD) of the optical receiver RX is large, making it difficult to achieve impedance matching with the TIA.
  • the reception signal output terminal group 45OUT, 55OUT, 65OUT of the optical receiver RX and the reception signal input terminal group 44IN of the TIA 44 are close to each other, so that the high frequency characteristics are less likely to deteriorate and the reception signal quality can be improved.
  • the distance between the transmission signal output terminal group 43OUT of the DRV 43 and the transmission signal input terminal group 45IN, 55IN, 65IN of the optical transmitter TX is long.
  • the input impedance of the optical modulator MOD is set to about 20-50 ⁇ , and the traveling wave electrodes 45E, 55E, 65E can also be set to any impedance, so impedance matching is easy and degradation of signal quality can be suppressed.
  • FIG 10 shows the configuration of an optical communications module according to Example 4 of the present invention.
  • the arrangement of each chip is shown as seen from the top of an optical communications module 70 in which two sets of transmitting and receiving units accommodating four lanes are mounted.
  • Two sets of transmitting and receiving units each consisting of a digital signal processing circuit chip (DSP) 72 are mounted on a package substrate 71.
  • DSP 72 has the functions of a driver circuit (DRV) and a transimpedance amplifier circuit (TIA) in addition to the function of a digital signal processing circuit.
  • the optical circuit chip 75 and fiber array (FA) 76 are integrated into one, as in Example 3.
  • the FA 76 accommodates 18 optical fibers 77, twice the number of nine.
  • the DSP 72 has a group of transmission signal output terminals 72OUT connected to the group of transmission signal input terminals 45IN of the optical transmitter TX, and a group of reception signal input terminals 72IN connected to the group of reception signal output terminals 75OUT of the optical receiver RX.
  • Example 4 like Examples 1-3, allows the area of the optical circuit chip 75 to be reduced, and the overall size of the optical communication module 70 to be reduced, resulting in lower costs.
  • FIG. 11 shows the configuration of an optical communications module according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the optical communications module 80 is an example in which two sets of the optical communications modules 70 according to the fourth embodiment are mounted on a package substrate 81. To increase the transmission capacity of the optical communications network, multiple optical communications modules 70 can be mounted.
  • FIG. 12 shows the configuration of an optical communications module according to Example 6 of the present invention.
  • the optical communications module 90 is an example in which two sets of the optical communications module 70 according to Example 4 are mounted on an interposer substrate 98 on a package substrate 91.
  • the optical circuit chip 75 and fiber array (FA) 76 are housed on the package substrate 91, so the package substrate 91 can be covered with a lid (not shown).
  • This lid makes it possible to realize an optical communications module 90 that is physically durable and can prevent the intrusion of dust and the like.
  • FIG. 13 shows the configuration of an optical communication module according to the seventh embodiment of the present invention.
  • the optical communication module 100 is an example in which optical communication modules 100A and 100B, each having two sets of transmitting and receiving units, are mounted on an interposer substrate 108 on a package substrate 101, as in the sixth embodiment.
  • the difference from the optical communication module 70 of the fourth embodiment is that it includes an optical circuit chip 105A and an optical circuit chip 105B.
  • the optical circuit chips 105A and 105B have different optical waveguide layouts, and are designed so that the connection positions of the FAs 106A and 106B are symmetrical with respect to the center of one side perpendicular to the longitudinal direction of the optical communication module 100 (the side where the optical communication modules 100A and 100B are in contact with each other). This makes it possible to arrange the two adjacent FAs 106A and 106B close to each other.
  • the optical fiber 107 connected to the optical communications module 100 can also be consolidated, minimizing the overall mounting area of the optical communications module 100.
  • the package substrate 101 can be covered with a lid (not shown). Pillars supporting the lid must be placed at the four corners of the package substrate 101, and it is preferable to place these pillars away from the FA 106. Even if the number of optical communication modules mounted on the package substrate 101 increases, the fiber arrays (FA) of the optical communication modules close to the four corners of the package substrate 101 can be placed away from the four corners.
  • FA fiber arrays
  • Example 7 allows the FA 106 to be consolidated, so that the lid can be used to cover the board without increasing the board area, resulting in an optical communications module 100 that is physically durable.
  • Optical communication module 11, 21, 31, 41, 71, 81, 91, 101 Package substrate 12, 22, 32, 42, 72, 102 Digital signal processing circuit chip (DSP) 13, 23, 33, 43, Driver circuit chip (DRV) 14, 24, 34, 44, Transimpedance Amplifier Circuit Chip (TIA) 15, 25, 35, 45, 55, 65, 75, 105 Optical circuit chip 16, 26, 36, 46, 76, 106 Fiber array (FA) 17, 27, 37, 47, 77, 107 Optical fiber 48, 58, 68 Splitter 98, 108 Interposer board

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Abstract

光通信モジュールにおいて、部材の増加に伴うコストの増加を抑え、小型化を図る。　光送信機（ＴＸ）と光受信機（ＲＸ）とを含む送受信ユニットを、Ｎ（Ｎは偶数）組有する光通信モジュール（２０）であって、Ｎ個のデジタル信号処理回路チップ（２２）に対して、Ｋ（Ｋ≦Ｎ／２）個の光回路チップ（２５）と、Ｋ個のファイバアレイ（２６）とを備え、前記光回路チップ（２５）の一辺に沿って、前記光送信機（ＴＸ）の送信信号入力端子群（２５ＩＮ）と前記光受信機（ＲＸ）の受信信号出力端子群（２５ＯＵＴ）が配置され、当該一辺と対向する辺に前記ファイバアレイ（２６）が接続されている。

Description

光通信モジュール
　本発明は、光通信モジュールに関し、より詳細には、光送信機と光受信機とを含む送受信ユニットを、複数備えた光通信モジュールに関する。
　近年、光通信モジュール、光デバイスの適用範囲は長距離通信のみならず、データセンタ間、携帯電話の基地局間、エッジルータ間のリンクにも用いられ、その性能向上の要求が高まっている。性能向上には高周波特性を向上させるために、電気信号を処理する電子デバイス（ＤＳＰ、ドライバ、ＴＩＡ等のＩＣ）と、光学系のデバイスである光回路チップを近接させて配置する必要がある。従来、電子デバイスと光デバイスとが同一の基板上に実装されたコパッケージオプティクス（ＣＰＯ）の開発が進んでいる（例えば、非特許文献１，２参照）。光通信モジュール、デバイスの適用範囲の拡大に伴い、ＣＰＯを低コスト化、低廉化することが一層求められている。
　図１に、従来の光送受信機能を備えた光通信モジュールの構成を示す。図１（ａ）は、光通信モジュール１０の上面から見た各チップの配置を示す。パッケージ基板１１上に、デジタル信号処理回路チップ（ＤＳＰ）１２、ドライバ回路チップ（ＤＲＶ）１３、トランスインピーダンスアンプ回路チップ（ＴＩＡ）１４、光回路チップ１５、およびファイバアレイ（ＦＡ）１６からなる送受信ユニットが２組実装されている。光信号の入出力は、ＦＡ１６を介して光ファイバ１７により行われる。
　ＤＲＶ１３は、ＤＳＰ１２から出力された送信電気信号を増幅し、ＤＲＶ出力端子群１３ＯＵＴから出力する。ＴＩＡ１４は、光回路チップ１５から出力された受信電気信号を、ＴＩＡ入力端子群１４ＩＮを介して受信し、増幅してＤＳＰ１２に出力する。
　光回路チップ１５は、光変調器、光導波路、スプリッタ、光アッテネータなどから構成される光送信機と、フォトダイオード（ＰＤ）、光導波路、光アッテネータなどから構成される光受信機とを備える。また、ＤＲＶ１３からの送信電気信号を入力するための送信信号入力端子群１５ＩＮと、受信電気信号をＴＩＡ１４に出力するための受信信号出力端子群１５ＯＵＴを備える。
　図２に、従来の光通信モジュールの光回路チップの構成を示す。光回路チップ１５は、光学系の複数の回路要素、これらを接続する光導波路等が集積された光デバイスである。光送信機ＴＸの多くには、電気光学効果を利用したマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）型光変調器ＭＯＤが用いられている。ＭＺＩ型変調器ＭＯＤは、光源からのＣＷ光を入力する入力端から送信光信号を出力する出力端に向けた光軸方向の光導波路上に、進行波電極１５Ｅが配置されている。所望の電気光学効果を発現するために、進行波電極１５Ｅは所定の長さが必要であり、ＭＺＩ型変調器ＭＯＤの光軸方向の長さを規定している。例えば、光受信機ＲＸの大きさが、高々１００μｍ角程度であるのに対して、ＭＺＩ型変調器ＭＯＤの光軸方向の長さは、１ｍｍ－５ｍｍ程度と長い。従来の光通信モジュールでは、光送信機ＴＸと光受信機ＲＸとを並列に配置するので、光回路チップ１５の光軸方向の長さは、光送信機ＴＸの長さ、すなわち変調器の長さに依存する。従って、光回路チップ１５のチップサイズが大きくなるとともに、光受信機ＲＸの側には、光回路要素が実装されていないスペースができ、光デバイスの実装効率が悪いという問題があった。
　図１（ｂ）に示すように、光通信モジュール１０は、フリップチップによるフェイスダウン実装より構成されている。この場合、上面図から見て光回路チップ１５の送信信号入力端子群１５ＩＮ、受信信号出力端子群１５ＯＵＴ、進行波電極１５Ｅは、チップ下面に形成されており、図１（ａ），図２においては、上面から透過した構成を模式的に示している。
　ＦＡ１６は、光回路チップ１５の端面に接続された端面接続の形態を示している。例えば、非特許文献１、２に示すように、フェイスアップ実装された光回路チップを用いて、光回路の上面からグレーティングカプラなどによって光信号の入出力を行う構成を適用することもできる。
　ＤＳＰ１２は、光送信機ＴＸに対して送信電気信号を出力する側および光受信機から受信電気信号を入力する側（一般的にライン側と称する）には、複数の送信信号出力端子、受信信号入力端子を備える。例えば、４００ＧＢＡＳＥ－ＤＲ４の規格に基づくデジタル信号処理回路チップでは、４レーンのそれぞれに正相／逆相の計８個の送信信号出力端子と、計８個の受信信号入力端子を備える。
　また、この規格に基づく光通信モジュールでは、ファイバアレイにつながるファイバの本数は９本である。光信号の送受信にそれぞれ４本ずつと、光送信機ＴＸに対して光源からのＣＷ光を入力する１本の計９本である。
　上述した光通信モジュール１０では、４レーンを収容する送受信ユニットが２組実装された例を示したが、光通信ネットワークの伝送容量を増やす場合には、送受信ユニットの組を倍加した光通信モジュールを作製すればよい。しかしながら、従来のＣＰＯによる光通信モジュール１０では、送受信ユニットの数だけ、光回路チップ１５およびファイバアレイ１６の接続が必要であり、部材の増加に伴うコストの増加、光通信モジュールの大型化という課題もあった。
Ravi Mahajan, et al, "Co-Packaged Photonics For High Performance Computing Status Challenges And Opportunities," J. of Lightwave Technology, Vol. 40, No. 2, 2022.1.15. Rob Stone, et al, "Co-packaged Optics for Data Center Switching," 2020 ECOOC, 978-1-7281-7361-0/20/$31.00 2020 IEEE.
　本発明の一実施態様は、光送信機と光受信機とを含む送受信ユニットを、Ｎ（Ｎは偶数）組有する光通信モジュールであって、Ｎ個のデジタル信号処理回路チップに対して、Ｋ（Ｋ≦Ｎ／２）個の光回路チップと、Ｋ個のファイバアレイとを備え、前記光回路チップの一辺に沿って、前記光送信機の送信信号入力端子群と前記光受信機の受信信号出力端子群が配置され、当該一辺と対向する辺に前記ファイバアレイが接続されていることを特徴とする。
　この構成によれば、部材の増加に伴うコストの増加を抑え、光通信モジュールの小型化を図ることができる。
図１は、従来の光送受信機能を備えた光通信モジュールの構成を示す図、 図２は、従来の光通信モジュールの光回路チップの構成を示す図、 図３は、本発明の実施例１にかかる光通信モジュールの構成を示す図、 図４は、本発明の実施例２にかかる光通信モジュールの構成を示す図、 図５は、実施例２の光通信モジュールの光回路チップの構成を示す図、 図６は、本発明の実施例３にかかる光通信モジュールの構成を示す図、 図７は、実施例３の光通信モジュールの光回路チップの第１例を示す図、 図８は、実施例３の光通信モジュールの光回路チップの第２例を示す図、 図９は、実施例３の光通信モジュールの光回路チップの第３例を示す図、 図１０は、本発明の実施例４にかかる光通信モジュールの構成を示す図、 図１１は、本発明の実施例５にかかる光通信モジュールの構成を示す図、 図１２は、本発明の実施例６にかかる光通信モジュールの構成を示す図、 図１３は、本発明の実施例７にかかる光通信モジュールの構成を示す図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
　図３に、本発明の実施例１にかかる光通信モジュールの構成を示す。４レーンを収容する送受信ユニットが２組実装された光通信モジュール２０の上面から見た各チップの配置を示す。パッケージ基板２１上に、デジタル信号処理回路チップ（ＤＳＰ）２２、ドライバ回路チップ（ＤＲＶ）２３、トランスインピーダンスアンプ回路チップ（ＴＩＡ）２４からなる送受信ユニットが２組実装されている。基板２１の材料としては、シリコン、ＩｎＰ等の材料を用いることができる。
　従来の光通信モジュールとの相違点は、光回路チップ２５およびファイバアレイ（ＦＡ）２６が１つにまとめられている点である。光回路チップ２５の一辺に沿って送信信号入力端子群２５ＩＮと受信信号出力端子群２５ＯＵＴが配置され、当該一辺と対向する辺にＦＡ２６が接続されている。ＦＡ２６には、９本の２倍の１８本の光ファイバ２７が収容されている。
　Ｎ（Ｎは偶数）組の送受信ユニットを含む光通信モジュールとすれば、Ｎ個のデジタル信号処理回路チップ（ＤＳＰ）に対して、Ｋ（Ｋ≦Ｎ／２）個の光回路チップとＫ個のファイバアレイ（ＦＡ）を備える。光回路チップの一辺に沿って、ＤＳＰと電気的に接続される送信信号入力端子群と受信信号出力端子群が配置され、当該一辺と対向する辺にＦＡが接続される。
　従来の光通信モジュールにおいては、送受信ユニットの組を倍加するごとに、ＦＡの数が増え、光ファイバ接続の工程にかかるコスト、部材の増加に伴うコスト、光ファイバ接続に必要な面積が増加することによる光通信モジュールの大型化という問題があった。実施例１の構成によれば、光ファイバ接続の工程が半分で済み、コストの増加、光通信モジュールの大型化を抑制することができる。
　図４に、本発明の実施例２にかかる光通信モジュールの構成を示す。４レーンを収容する送受信ユニットが２組実装された光通信モジュール３０の上面から見た各チップの配置を示す。パッケージ基板３１上に、デジタル信号処理回路チップ（ＤＳＰ）３２、ドライバ回路チップ（ＤＲＶ）３３、トランスインピーダンスアンプ回路チップ（ＴＩＡ）３４からなる送受信ユニットが２組実装されている。従来の光通信モジュールとの相違点は、光回路チップ３５の構成が異なり、ファイバアレイ（ＦＡ）３６が１つにまとめられている点である。ＦＡ３６には、９本の２倍の１８本の光ファイバ３７が収容されている。
　図５に、実施例２の光通信モジュールの光回路チップの構成を示す。光デバイスである光回路チップ３５においては、光回路チップ３５の一辺に沿って、一方の送受信ユニットに対する送信信号入力端子群３５ＩＮ２と受信信号出力端子群３５ＯＵＴ２が配置され、当該一辺と対向する辺にＦＡ３６が接続されている。他方の送受信ユニットに対する送信信号入力端子群３５ＩＮ１、受信信号出力端子群３５ＯＵＴ１は、当該一辺と直交する辺に沿って配置されている。さらに、受信信号出力端子群３５ＯＵＴ１は、送信信号入力端子群３５ＩＮ１よりもＦＡ３６が接続されている当該一辺と対向する辺に近い方に配置されている。
　このような構成により、従来、光受信機ＲＸの側に形成されていた、光回路要素が実装されていないスペースが無くなり、光回路チップ３５の面積を小さくすることができ、低コスト化を図ることができる。
　図６に、本発明の実施例３にかかる光通信モジュールの構成を示す。図６（ａ）は、光通信モジュール４０の上面から見た各チップの配置を示す。４レーンを収容する送受信ユニットが２組実装された光通信モジュール４０の上面から見た各チップの配置を示す。パッケージ基板４１上に、デジタル信号処理回路チップ（ＤＳＰ）４２、ドライバ回路チップ（ＤＲＶ）４３、トランスインピーダンスアンプ回路チップ（ＴＩＡ）４４からなる送受信ユニットが２組実装されている。従来の光通信モジュールとの相違点は、光回路チップ４５の構成が異なり、ファイバアレイ（ＦＡ）４６が１つにまとめられている点である。ＦＡ４６には、９本の２倍の１８本の光ファイバ４７が収容されている。
　さらに、実施例１，２との相違点は、光回路チップ４５において、光受信機ＲＸと光送信機ＴＸとが、光変調器ＭＯＤの光軸方向に直列に配置されている点である。これに合わせて、ＤＳＰ４２、ＤＲＶ４３およびＴＩＡ４４が、同じ光軸方向に直列に、順に基板４１上に配置されている。すなわち、光回路チップ４５の一辺に対向してＴＩＡ４４が配置され、ＤＳＰ４２とＴＩＡ４４との間にＤＲＶ４３が配置されている。
　図６（ｂ）に示すように、光通信モジュール４０は、フリップチップによるフェイスダウン実装より構成されている。ＤＲＶ４３と光回路チップ４５との接続は、パッケージ基板４１内に形成された配線４３Ｗにより行い、光回路チップ４５とＴＩＡ４４との接続は配線４３Ｗにより行う。
　図７に、実施例３の光通信モジュールの光回路チップの第１例を示す。光デバイスである光回路チップ４５においては、光回路チップ４５の一辺に沿って、受信信号出力端子群４５ＯＵＴおよび光受信機ＲＸが配置され、当該一辺と対向する辺にＦＡ４６が接続されている。さらに、光受信機ＲＸと当該一辺と対向する辺との間に送信信号入力端子群４５ＩＮおよび光送信機ＴＸの光変調器ＭＯＤが配置されている。すなわち、従来の光通信モジュールでは、光回路チップ１５の光軸方向に光送信機ＴＸと光受信機ＲＸとを並列に配置していたが、実施例３においては、直列に配置する。破線は、チップ基板に形成された光導波路を示し、光源からのＣＷ光を光送信機ＴＸの各光変調器ＭＯＤに分配するためのスプリッタ４８も合わせて示す。
　光源からのＣＷ光は、シリコン基板を用いた基板４１においては、一般的にＴＥモードで入力される必要がある。従って、ＦＡ４６を介して接続される光ファイバ４７は、偏波保持ファイバ（ＰＭＦ）とする必要がある。一方、光送信機ＴＸの光変調器ＭＯＤから出力される送信光出力、光受信機ＲＸで受光される受信光入力は、偏波は規定されず、シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）を用いることができる。
　光導波路のレイアウトとしては、光回路チップ４５とＦＡ４６との接続端面において、ＰＭＦの接続を、ＳＭＦの接続位置よりも外側でできるように配置する。すなわち、ＦＡ４６と接続する一辺の中央に受信光入力、その両側に送信光出力、さらにその両側にＣＷ光入力を配置する。一般的に、ＰＭＦはＳＭＦよりもファイバ径が太くなるため、ファイバアレイを作製する際のトレランスを確保することが容易になるからである。また、ファイバアレイは、一般的にＶ溝が切られたガラス基板に、ファイバ心線を並べ、平坦なリッドガラス板で挟み込む構造である。そのため、ＰＭＦを外側に配置した方が、構造的に安定する。このようにして、精度よく、光結合の安定性が高い光通信モジュールを作製することができる。
　図８に、実施例３の光通信モジュールの光回路チップの第２例を示す。光回路チップ５５は、光回路チップ４５の光導波路のレイアウトを変形した例である。図８に示したように、光回路チップ５５とＦＡ４６との接続端面の中央に、ＰＭＦの接続をまとめて行うことができるように配置してもよい。
　図９に、実施例３の光通信モジュールの光回路チップの第３例を示す。光回路チップ６５は、光回路チップ４５の光導波路のレイアウトを変形した例である。図９に示したように、光回路チップ６５とＦＡ４６との接続端面の中央に、光受信機ＲＸで受光される受信光信号を受光できるように配置してもよい。
　実施例３の構成によれば、実施例１，２と同様に、光回路チップ４５，５５，６５の面積を小さくすることができ、低コスト化を図ることができる。
　また、光受信機ＲＸのフォトダイオード（ＰＤ）の容量は大きく、ＴＩＡとのインピーダンスマッチングを取ることが難しい。実施例３の構成によれば、光受信機ＲＸの受信信号出力端子群４５ＯＵＴ，５５ＯＵＴ，６５ＯＵＴと、ＴＩＡ４４の受信信号入力端子群４４ＩＮとは近接しているので、高周波特性が劣化しにくく、受信信号品質を高めることができる。一方、ＤＲＶ４３の送信信号出力端子群４３ＯＵＴと、光送信機ＴＸの送信信号入力端子群４５ＩＮ，５５ＩＮ，６５ＩＮとの間の距離は長くなる。しかしながら、光変調器ＭＯＤの入力インピーダンスは２０－５０Ω程度に設定され、進行波電極４５Ｅ，５５Ｅ，６５Ｅも任意のインピーダンスに設定できるので、インピーダンスマッチングが容易であり、信号品質の劣化を抑えることができる。
　図１０に、本発明の実施例４にかかる光通信モジュールの構成を示す。４レーンを収容する送受信ユニットが２組実装された光通信モジュール７０の上面から見た各チップの配置を示す。パッケージ基板７１上に、デジタル信号処理回路チップ（ＤＳＰ）７２からなる送受信ユニットが２組実装されている。従来の光通信モジュールとの相違点は、ＤＳＰ７２がデジタル信号処理回路としての機能に加え、ドライバ回路（ＤＲＶ）とトランスインピーダンスアンプ回路（ＴＩＡ）の機能を備えている点である。光回路チップ７５とファイバアレイ（ＦＡ）７６とが１つにまとめられている点は、実施例３に同じである。ＦＡ７６には、９本の２倍の１８本の光ファイバ７７が収容されている。
　ＤＳＰ７２は、光送信機ＴＸの送信信号入力端子群４５ＩＮに接続される送信信号出力端子群７２ＯＵＴと、光受信機ＲＸの受信信号出力端子群７５ＯＵＴに接続される受信信号入力端子群７２ＩＮを備えている。
　実施例４の構成によれば、実施例１－３と同様に、光回路チップ７５の面積を小さくできるとともに、光通信モジュール７０全体のサイズを小さくすることができ、低コスト化を図ることができる。
　図１１は、本発明の実施例５にかかる光通信モジュールの構成を示す。光通信モジュール８０は、実施例４の光通信モジュール７０を２組、パッケージ基板８１上に実装した例である。光通信ネットワークの伝送容量を増やす場合に、光通信モジュール７０を複数個実装すればよい。
　図１２に、本発明の実施例６にかかる光通信モジュールの構成を示す。光通信モジュール９０は、実施例４の光通信モジュール７０を２組、パッケージ基板９１上のインタポーザ基板９８に実装した例である。
　実施例１－５と比較すると、光回路チップ７５とファイバアレイ（ＦＡ）７６とが、パッケージ基板９１上に収められるので、パッケージ基板９１をリッド（不図示）で覆うことができる。このリッドにより、物理的に耐久性が高く、ごみなどの侵入を防ぐことができる光通信モジュール９０を実現することができる。
　図１３に、本発明の実施例７にかかる光通信モジュールの構成を示す。光通信モジュール１００は、送受信ユニットが２組実装された光通信モジュール１００Ａ，１００Ｂを、実施例６と同様に、パッケージ基板１０１上のインタポーザ基板１０８に実装した例である。実施例４－６の光通信モジュール７０との相違点は、光回路チップ１０５Ａと光回路チップ１０５Ｂを備えている点にある。光回路チップ１０５Ａ，１０５Ｂは、光導波路のレイアウトが異なり、光通信モジュール１００の長手方向に直交する一辺の中心（光通信モジュール１００Ａ，１００Ｂが互いに接する辺）に対して、ＦＡ１０６Ａ，１０６Ｂの接続位置が対称になるように設計されている。これにより、隣接する２つのＦＡ１０６Ａ，１０６Ｂが近接するように配置することが可能である。
　２つのＦＡ１０６Ａ，１０６Ｂを、光通信モジュール１００の一辺の中央付近に集約することにより、光通信モジュール１００に接続する光ファイバ１０７も集約することができ、光通信モジュール１００全体の実装面積を最小化することができる。
　また、実施例６と同様に、パッケージ基板１０１をリッド（不図示）で覆うことができる。パッケージ基板１０１の四隅には、このリッドを支える柱を配置する必要があり、この柱とＦＡ１０６とを遠ざけて配置するのが好ましい。パッケージ基板１０１上に実装する光通信モジュールの数が増えたとしても、パッケージ基板１０１の四隅に近接する光通信モジュールのファイバアレイ（ＦＡ）を、四隅から遠ざけて配置すればよい。
　実施例７の構成によれば、ＦＡ１０６を集約することができるので、基板面積を増大させることなく、リッドで覆うことができ、物理的に耐久性が高い光通信モジュール１００を実現することができる。
　１０，２０，３０，４０，７０，８０，９０，１００　光通信モジュール
　１１，２１，３１，４１，７１，８１，９１，１０１　パッケージ基板
　１２，２２，３２，４２，７２，１０２　デジタル信号処理回路チップ（ＤＳＰ）
　１３，２３，３３，４３，　ドライバ回路チップ（ＤＲＶ）
　１４，２４，３４，４４，　トランスインピーダンスアンプ回路チップ（ＴＩＡ）
　１５，２５，３５，４５，５５，６５，７５，１０５　光回路チップ
　１６，２６，３６，４６，７６，１０６　ファイバアレイ（ＦＡ）
　１７，２７，３７，４７，７７，１０７　光ファイバ
　４８，５８，６８　スプリッタ
　９８，１０８　インタポーザ基板

Claims (7)

  1. 　光送信機と光受信機とを含む送受信ユニットを、Ｎ（Ｎは偶数）組有する光通信モジュールであって、
    　Ｎ個のデジタル信号処理回路チップに対して、Ｋ（Ｋ≦Ｎ／２）個の光回路チップと、Ｋ個のファイバアレイとを備え、
    　前記光回路チップの一辺に沿って、前記光送信機の送信信号入力端子群と前記光受信機の受信信号出力端子群が配置され、当該一辺と対向する辺に前記ファイバアレイが接続されていることを特徴とする光通信モジュール。
  2. 　光送信機と光受信機とを含む送受信ユニットを、Ｎ（Ｎは偶数）組有する光通信モジュールであって、
    　Ｎ個のデジタル信号処理回路チップに対して、Ｋ（Ｋ≦Ｎ／２）個の光回路チップと、Ｋ個のファイバアレイとを備え、
    　前記光回路チップの一辺に沿って、前記光受信機の受信信号出力端子群および前記光受信機が配置され、当該一辺と対向する辺に前記ファイバアレイが接続され、前記光受信機と前記対向する辺との間に前記光送信機の送信信号入力端子群および前記光送信機が配置されていることを特徴とする光通信モジュール。
  3. 　前記光回路チップの一辺に対向して配置されたトランスインピーダンスアンプ回路チップと、
    　前記デジタル信号処理回路チップと前記トランスインピーダンスアンプ回路チップとの間に配置されたドライバ回路チップと
    　をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の光通信モジュール。
  4. 　前記一辺と対向する辺の中央に、前記光受信機への受信光入力が配置され、その両側に前記光送信機からの送信光出力が配置され、さらにその両側に前記光送信機へのＣＷ光入力が配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載の光通信モジュール。
  5. 　前記光回路チップと前記ファイバアレイの接続位置は、前記Ｋ個のファイバアレイのうち隣接する２つのファイバアレイが近接するように配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載の光通信モジュール。
  6. 　光送信機と光受信機とを含む送受信ユニットを、２組有する光通信モジュールであって、
    　２個のデジタル信号処理回路チップに対して、１個の光回路チップと、１個のファイバアレイとを備え、
    　前記光回路チップの一辺に沿って、一方の送受信ユニットにおける光送信機の送信信号入力端子群と光受信機の受信信号出力端子群が配置され、当該一辺と対向する辺に前記ファイバアレイが接続され、当該一辺と直交する辺に沿って、他方の送受信ユニットにおける光送信機の送信信号入力端子群と光受信機の受信信号出力端子群が配置されていることを特徴とする光通信モジュール。
  7. 　前記デジタル信号処理回路チップと前記光回路チップとは、パッケージ基板上のインタポーザ基板にフリップチップ実装されていることを特徴とする請求項１、２または６に記載の光通信モジュール。
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