JP2008041772A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】面発光素子及び面受光素子の少なくとも一方を備え、モジュール内部での高周波電気信号の伝送損失を低減し、小型化・薄型化が可能な光インタコネクションモジュールを提供する。
【解決手段】フレキシブル基板２は、ＶＣＳＥＬ３が搭載されるとともに、所定値よりも大きい曲率で曲げられており、フレキシブル基板２の曲げ部分の直径は、フレキシブル基板２のＶＣＳＥＬ３が搭載された部分の面と、回路基板１９との電気的接続をなす部分とがなす面の高低差よりも大きく、フレキシブル基板２の曲げ部分は、最も回路基板１９に近接した部分と回路基板１９との電気的接続をなす面との高低差よりも、最も回路基板１９から遠い部分とＶＣＳＥＬ３を搭載した部分の面との高低差の方が大きい。
【選択図】図１

Description

本発明は、装置内光インタコネクションに用いられる光モジュールの構造に関する。

近年、広帯域なネットワークの拡充により、ネットワークを介して送受される情報量が増大しているとともに、ルータやサーバ等の情報機器内部での情報処理容量を向上させることが求められている。
しかしながら、情報機器内部に用いられている電気基板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る。

この障害を打破し、情報機器内部の情報処理容量をさらに向上させるためには、機器内部に収容されるポート間、あるいはボードに搭載されるＬＳＩ間を光信号によって相互接続すること、すなわち、「装置内光インタコネクション」が有効である。

装置内光インタコネクションを実現するためには、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が必要であるが、装置内光インタコネクション用の光モジュールは、従来の通信用光モジュールよりも小型高集積、低コスト、低消費電力が求められる。
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に使われる発光素子としては、従来の光モジュールで使われてきた端面発光型レーザダイオードに代わり、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser：垂直共振機面発光レーザ）が有利であり、広範囲に適用されていくと考えられる。

ＶＣＳＥＬを適用した小型かつ薄型の光モジュールを低コストで組み立てることに関しては、いくつかの実装構造が提案されている。その一つとして、特許文献１に開示される「光電気複合モジュール及びそのモジュールを構成要素とする光入出力装置」がある。
特許文献１に開示される発明は、図５に示すように、光素子７２とドライバＩＣ７３とをメタルバンプ７６を用いて透明プレート７４に搭載して、ＶＣＳＥＬ７２から出射された光を、透明プレート７４を透過させた上で不図示の光結合部材（レンズなど）で集光させて光伝送路に結合させるものである。

この構造の利点は、低誘電率の材料を用いて高速信号伝送特性の良い線路を形成した透明プレート７４に、高周波損失の少ない特徴を持つフリップチップ接合、すなわち素子と基板とをメタルバンプ７６によって接合する方式により光素子７２とドライバＩＣ７３とを搭載することで、光モジュールの高周波特性を良くすることができることである。

上記の透明プレート７４に光素子７２とドライバＩＣ７３とを搭載した実装構造を含む光モジュールを、回路基板上に搭載し、光を上方に入出射させる場合、ＶＣＳＥＬやドライバＩＣをフレキシブル基板の下に接合する態様となるため、フレキシブル基板と回路基板との間に、最低でもＶＣＳＥＬ又はドライバＩＣのチップ厚さ以上の高低差が生じる。この高低差のあるフレキシブル基板と回路基板とを電気的に接続するために、図６に示したような透明フレキシブルシート１１１に光送受信用ＩＣ１１３や受動部品１１６をフリップチップ搭載したものを“コ”の字型に折り曲げて不図示の回路基板と接続できるようにした構造が、特許文献２に開示されている。
特開２００４−３１５０８号公報 特開２００６−５１９２号公報

しかしながら、図６に示す構造では、高速信号の通るフレキシブル基板を２カ所でほぼ直角に折り曲げて“コ”の字型にしているため、折り曲げた部分での伝送損失が生じる懸念がある。そこで、伝送損失を防ぐために、図７のように曲面状にフレキシブル基板を曲げる方法も考えられる。

しかし、曲面状に曲げるとしても、曲げ部分の曲率が小さいと、伝送損失低減の効果は小さく、また側面部分への部品搭載が困難となる。従って、伝送損失の低減や、曲げ部分への部品搭載のためには、ある程度以上曲率を大きく取らなければならない。そうすると、フレキシブル基板の、ＶＣＳＥＬやドライバの搭載された面と、回路基板と接合する面との高低差が大きくなり、光モジュールの厚さ寸法が大きくなってしまう。

すなわち、フレキシブル基板にＶＣＳＥＬ等の面発光受光素子を搭載し、フレキシブル基板を曲げて回路基板と接合する構造の光モジュールにおいて、モジュール内部での高周波電気信号の伝送損失を防ぐことと、モジュールの小型化・薄型化とを両立させることは困難であった。

本発明は係る問題に鑑みてなされたものであり、面発光及び面受光素子の少なくとも一方を備え、モジュール内部での高周波電気信号の伝送損失を低減し、小型化・薄型化が可能な光インタコネクションモジュールを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、第１の態様として、表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方と、表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方と回路基板との電気的な接続をなすフレキシブル基板とを有する光モジュールであって、フレキシブル基板は、表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方が搭載されるとともに、所定値よりも大きい曲率で曲げられており、フレキシブル基板の曲げ部分の直径は、該フレキシブル基板の表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方が搭載された部分の面と、回路基板との電気的接続をなす部分とがなす面の高低差よりも大きく、フレキシブル基板の曲げ部分は、最も回路基板に近接した部分と回路基板との電気的接続をなす面との高低差よりも、最も回路基板から遠い部分と表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方を搭載した部分の面との高低差の方が大きいことを特徴とする光モジュールを提供するものである。

また、上記目的を達成するため、本発明は、第２の態様として、表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方と、表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方と回路基板との電気的な接続をなす接点を備えたフレキシブル基板と、側面の少なくとも一部に曲面を有する板状の支持部材とを有する光モジュールであって、フレキシブル基板は、表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方が電気的に接続されるとともに、支持部材の側面に沿って曲げられて支持部材に固定されており、その曲げ部分の直径は、フレキシブル基板と、表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方が搭載された面と、回路基板との電気的接続をなす部分とがなす面の高低差よりも大きく、フレキシブル基板の曲げ部分は、最も回路基板に接近した部分と回路基板との電気的接続をなす部分との高低差よりも、最も回路基板から遠い部分と表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方を搭載した部分の面との高低差の方が大きいことを特徴とする光モジュールを提供するものである。

本発明の第２の態様においては、支持部材は金属材料で形成されており、表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方は、支持部材と接していることが好ましい。又は、支持部材は誘電体材料で形成されていることが好ましい。又は、支持部材は、フレキシブル基板を沿わせる部分が誘電体材料、表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方が接する部分は金属材料によって形成されていることが好ましい。

本発明の第１及び第２の態様の上記のいずれの構成においても、フレキシブル基板を曲げることによって、回路基板との電気的接続をなす部分と最も回路基板から遠い部分との間に形成された側面部分に電子部品が搭載されることが好ましい。

本発明の第１又は第２の態様では、表面発光素子又は表面受光素子を搭載したフレキシブル基板を、曲面状に略１８０度曲げ、回路基板と接合することにより、表面発光素子又は表面受光素子から回路基板に至る間の高速電気配線を低い損失で達成できる。
これに加えて、フレキシブル基板の曲げ部分の直径を、フレキシブル基板の、表面発光素子又は表面受光素子を搭載した部分の面と回路基板との電気的接続をなす面との高低差よりも大きくとることにより、曲げ部分の曲率を大きく、かつ表面発光素子又は表面受光素子を搭載した部分を薄くできる。そのため、表面発光素子又は表面受光素子を搭載した部分の上にレンズや光コネクタレセプタクル等の部品を搭載して光モジュール全体の高さを低く抑えられる。さらに、曲げ部分の曲率を大きくすることで、曲げによって現れた側面部分への部品搭載が容易となる。

また、上記第２の態様のように、側面部に曲面を有する板状の支持部材の曲面に沿わせてフレキシブル基板を曲面状に曲げることにより、フレキシブル基板の形状を安定化させられる。また、支持部材を金属材料によってなるものとし、表面発光素子又は表面受光素子が支持部材に接している構造とすることで、表面発光素子又は表面受光素子からの熱を支持部材を通じて放熱できる。

なお、支持部材が金属製であった場合、フレキシブル基板上の高速信号伝送線路の伝送特性を安定的に保つためには伝送線路と支持部材との間隔を高精度に制御し、ストリップ線路を形成した状態でフレキシブル基板を支持部材の曲面に沿って曲げる必要があり、困難な場合が想定される。これに対して、本発明の第２の態様のように、支持部材を誘電体材料によってなるものとすれば、高速信号伝送線路を金属支持部材とのストリップ線路構造ではなく、例えばコプレーナ線路を形成することにより、支持部材が金属である場合よりも容易に安定した信号伝送特性が得られる。

しかしながら、支持部材全てを誘電体材料によってなるものとすると、誘電体材料の多くは一般的には熱伝導率が低いため、発光素子からの放熱特性は悪くなる。これに対して、支持部材の材料を、フレキシブル基板の高速信号伝送線路を沿わせる部分のみ誘電体とし、表面発光素子の接する部分においては金属製とすることにより、高周波特性の安定した高速伝送線路の形成と発光素子からの放熱とを両立できる。また、フレキシブル基板の曲げ半径を大きくとることで、フレキシブル基板を曲げることによって現れた側面部分に電子部品を搭載できる。これにより、モジュールの小型化を図れる。

本発明によれば、面発光及び面受光素子の少なくとも一方を備え、モジュール内部での高周波電気信号の伝送損失を低減し、小型化・薄型化が可能な光インタコネクションモジュールを提供できる。

〔第１の実施形態〕
本発明を好適に実施した第１の実施形態について説明する。
図１に、本実施形態にかかる光モジュールの斜視図を示す。光モジュール１の上面には、光入出射部５１が設けられており、光入出射部５１の両脇にはガイドピン５２が配置されている。ガイドピン５２を光コネクタ１３側に設けたガイド穴５３に挿入・嵌合させることにより、光モジュール１と光コネクタ１３とが光学的に接続される。

情報処理装置に実装される回路基板は、複数スタックさせて実装されるため、搭載される部品の高さに制限が設けられることが多い。そのため、装置内光インタコネクションを実現するためには、回路基板に搭載される光モジュールへのファイバの取り出し方向は、回路基板に対して平行な方向であることが望ましい。
また、光モジュールの周囲にコネクタ抜き差しのためのデッドスペースを確保することは、回路基板に高密度で部品を搭載する場合は不利である。そのため、光コネクタ１３の挿抜方法は、回路基板に対して垂直な方向であることが望ましい。
これらの要求に応えるために、光コネクタ１３は直角光路変換部を備えている。

図２に本実施形態に係る光モジュールの断面を示す。図示する面は、光モジュール１と光コネクタ１３とを接続した状態での、図１でのＡ−Ａ’線に沿った断面である。

光モジュール１において、ポリマー系材料からなるフレキシブル基板２の下面にはＶＣＳＥＬ３、ドライバＩＣ５及びチップコンデンサ７が搭載されている。ＶＣＳＥＬ３やドライバＩＣ５とフレキシブル基板２との接合は、例えば、金スタッドバンプとフレキシブル基板２上のパッド上に塗布したはんだ若しくは導電性ペーストとを接合することによって実現可能である。

ＶＣＳＥＬ３及びドライバＩＣ５をフレキシブル基板２に搭載する部分において、これらの素子とフレキシブル基板２との隙間にはアンダーフィル６を介在させている。アンダーフィル６は、接着性を有し、これらの素子とフレキシブル基板２との接合強度を補強する働きをする。アンダーフィル６の材料としては、エポキシ系樹脂などが一般的に用いられる。

フレキシブル基板２には、また、回路基板１９と接合するためのはんだバンプ８が形成されている。はんだバンプ８の材料は、スズ、金、銀、鉛、ビスマスなどから複数選択される金属材料からなる合金が用いられる。なお、回路基板１９と接する領域は、はんだバンプ８を形成する所定の位置以外の部分にソルダレジスト９が塗布されており、不要な部分へのはんだの付着は防止されている。

チップコンデンサ７が搭載されているパッドとはんだバンプ８とは、信号伝送線路１１及びビア１７によって接続される。フレキシブルプリント基板２は、図の左右２カ所で曲面状に約１８０度曲げられており、ＶＣＳＥＬ３やドライバＩＣ５を搭載した面とはんだバンプ８を形成した面が所定の高低差を保ってほぼ平行となるように構成されている。

フレキシブル基板２の、信号伝送線路１１が形成された部分が曲面状に曲がる部分では、上蓋１０と回路基板１９との間隔が広くなっており、曲げ部分の直径は、ＶＣＳＥＬ３やドライバＩＣ５を搭載した面とはんだバンプ８を形成した面との高低差に比べて大きくなるように膨らませてある。
つまり、フレキシブル基板２は、ＶＣＳＥＬ３やドライバＩＣ５を搭載した面とはんだバンプ８を形成した面との高低差を増すことなく、曲げ曲率が大きく確保されている。

この結果、モジュール１の高さと光コネクタ１３との高さを合わせた全体の高さを厚くすることなく、フレキシブル基板２の曲げ曲率を膨らませることができるため、モジュールにコネクタを接続した状態での薄型化と高速信号線の曲げによる損失の防止とを両立できる。

フレキシブル基板２の上面には、金属からなる上蓋１０に固定された平板マイクロレンズアレイ１２のレンズの光軸とＶＣＳＥＬ３の光軸とが合うように位置決めして接着固定する。
平板マイクロレンズアレイ１２は、例えば平板状のガラス材料又は樹脂材料に複数の曲面状突起をアレイ状に形成したものを適用できる。光モジュール１の上面には、光コネクタ１３が接続され、光モジュール１と光コネクタ１３との位置決めは図１に示したガイドピン５２によって行われる。光コネクタ１３にはＶＣＳＥＬ３からの出射光を直角に光路変向して光ファイバに入射させる４５度ミラー１４が設けられている。光ファイバ１６としては、例えば石英やポリマー材料からなるマルチモードファイバを適用できる。

上蓋１０の下縁は、はんだ材１８によって回路基板１９と接合されている。これによってモジュール１を回路基板１９に固定すると同時に信号伝送路からの不要電磁放射を上蓋１０の側面によって遮蔽できる。

本実施形態にかかる光モジュールの動作について説明する。
回路基板１９から光モジュール１にはんだバンプ８を通じて高速電気信号を入力すると、その信号は、フレキシブル基板２上の信号伝送線路１１、チップコンデンサ７を通じてドライバＩＣ５に入力される。ドライバＩＣ５に到達した電気信号は、ドライバＩＣ５によって増幅されＶＣＳＥＬ３へ向けて出力される。ＶＣＳＥＬ３に到達した電気信号はＶＣＳＥＬ３によって光信号へと変換される。光コネクタ１３と光モジュール１とを接続させることにより、ＶＣＳＥＬ３から上方向への出射光１５が平板マイクロレンズアレイ１２によって集光され、集光された光は４５度ミラー１４によって横方向に光路変更され、光ファイバ１６に入射する。なお、ＶＣＳＥＬ３の代わりに表面受光素子を用いる場合には、光ファイバ１６からの出射光４５度ミラー１４によって縦方向へ光路変向され表面受光素子に入射する構成となる。

このような構成とすることにより、表面発光素子又は表面受光素子から回路基板に至る間の高速電気信号配線の伝送路損失を低く抑えられる。
また、表面発光素子又は表面受光素子を搭載した部分の上にレンズや光コネクタレセクタブル等の部品を搭載しても光モジュール全体の高さを低く抑えられる。さらに、曲げ部分の曲率を大きくすることで、曲げによって現れた側面部分への部品搭載も容易となる。

〔第２の実施形態〕
本発明を好適に実施した第２の実施形態について説明する。図３に、本実施形態に係る光モジュールの構成を示す。フレキシブル基板２は支持部材２０の２カ所の側面に設けた曲面に沿って曲面状に曲げられている。支持部材２０は、銅、アルミニウム、銅−タングステン合金、黄銅、ステンレス材などの金属によってなるが、フレキシブル基板２の信号伝送線路１１の形成部分を沿わせて曲面状に曲げる箇所はエポキシ樹脂等の誘電体材料２１によってなる。

このような構造上の工夫を施すことによって信号伝送線路１１は支持部材２０の影響を受けず、損失の少ない高速信号伝送が可能となる。

フレキシブル基板２は、支持部材２０に設けた曲面に沿って曲面状に曲げた状態で支持部材２０にエポキシ系接着剤等によって接着固定するか、又はフレキシブル基板２は接着性を有するものとし、支持部材２０に接着固定する。

ＶＣＳＥＬ３及びドライバＩＣ５の、バンプ４を形成した方と反対の面は、放熱ゲル２２を介して支持部材２０と接触しており、熱伝導が行われるようになっている。これにより、ＶＣＳＥＬ３及びドライバＩＣ５から発せられた熱は、効率よく支持部材２０へと逃がされる。放熱ゲル２２は、シリコーン系樹脂にアルミニウム酸化物等のフィラーを充填したものなどを適用可能である。

その他の構成や動作については第１の実施形態と同様であるため、重複する説明は割愛する。

側面部に曲面を有する板状の支持部材２０の曲面に沿わせてフレキシブル基板２を曲面状に曲げることにより、フレキシブル基板２の形状を安定化させられる。

支持部材２０を金属材料によって形成し、表面発光素子や表面受光素子が（放熱ゲル２２を介して）支持部材２０に接している構造とすることで、表面発光素子からの熱を支持部材２０を通じて放熱させられる。

ただし、支持部材２０が金属製である場合、フレキシブル基板２上の高速信号伝送線路の伝送特性を安定的に保つためには、伝送線路と支持部材２０との間隔を高精度に制御し、ストリップ線路を形成した状態でフレキシブル基板２を支持部材２０の曲面に沿って曲げる必要がある。
一方、支持部材２０を誘電体材料で形成することで、例えばコプレーナ線路を形成することにより、支持部材２０が金属である場合よりも容易に安定した信号伝送特性が得られるが、誘電体材料の多くは熱伝導率が低いため、支持部材２０全体を誘電体材料で形成すると、面発光素子や面受光素子からの放熱性が低くなる。

このため、支持部材２０は、フレキシブル基板２の高速信号伝送線路を沿わせる部分のみ誘電体とし、表面発光素子や表面受光素子と接する部分は金属製とすることにより、高周波特性の安定した高速伝送線路の形成と素子からの放熱性とを両立させられる。

〔第３の実施形態〕
本発明を好適に実施した第３の実施形態について説明する。図４に、本実施形態に係る光モジュールの構成を示す。
本実施形態においては、フレキシブル基板２は曲面状に曲げられているが、曲げることによってできた側面部分には平面状になる部分を設け、その部分にチップコンデンサ７を搭載している。

その他の構成や動作については第１の実施形態と同様であるため、重複する説明は割愛する。

フレキシブル基板２の曲げの曲率を大きくすることにより、フレキシブル基板２を曲げることによって現れた曲面部分に電子部品を搭載できる。これにより、光モジュールの小型化が可能となる。

なお、上記実施形態は本発明の好適な実施の一例であり、本発明はこれに限定されることはない。
例えば、上記各実施形態においては、ＶＣＳＥＬとドライバＩＣとを搭載した光送信モジュールを例に説明したが、ＶＣＳＥＬをＰＤ、ドライバＩＣをレシーバＩＣに置き換えることで、光受信モジュールを作成できる。また、一個の光モジュールにＶＣＳＥＬ及びＰＤの両方、並びにドライバＩＣ及びレシーバＩＣの両方を搭載した光送受信モジュールについても、上記同様にして構成可能である。
このように、本発明は様々な変形が可能である。

本発明を好適に実施した第１の実施形態にかかる光モジュールの斜視図である。 本発明を好適に実施した第１の実施形態にかかる光モジュールの構成を示す図である。 本発明を好適に実施した第２の実施形態にかかる光モジュールの構成を示す図である。 本発明を好適に実施した第３の実施形態にかかる光モジュールの構成を示す図である。 従来の光モジュールの構成を示す図である。 従来の光モジュールの構成を示す図である。 従来の光モジュールの構成を示す図である。

符号の説明

１ 光モジュール
２ フレキシブル基板
３ ＶＣＳＥＬ
４ バンプ
５ ドライバＩＣ
６ アンダーフィル
７ チップコンデンサ
８ はんだバンプ
９ ソルダレジスト
１０ 上蓋
１１ 信号伝送線路
１２ マイクロレンズアレイ
１３ 光コネクタ
１４ ４５度ミラー
１５ 出射光
１６ 光ファイバ
１８ はんだ材
１９ 回路基板
２０ 支持部材
２１ 誘電体材料
２２ 放熱ゲル
５１ 光入出射部
５２ ガイドピン
５３ ガイド穴

Claims (6)

1. 表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方と、
   前記表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方と回路基板との電気的な接続をなすフレキシブル基板とを有する光モジュールであって、
   前記フレキシブル基板は、
   前記表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方が搭載されるとともに、所定値よりも大きい曲率で曲げられており、
   前記フレキシブル基板の曲げ部分の直径は、該フレキシブル基板の前記表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方が搭載された部分の面と、前記回路基板との電気的接続をなす部分とがなす面の高低差よりも大きく、
   前記フレキシブル基板の曲げ部分は、最も前記回路基板に近接した部分と前記回路基板との電気的接続をなす面との高低差よりも、最も前記回路基板から遠い部分と前記表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方を搭載した部分の面との高低差の方が大きいことを特徴とする光モジュール。
2. 表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方と、
   前記表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方と回路基板との電気的な接続をなす接点を備えたフレキシブル基板と、
   側面の少なくとも一部に曲面を有する板状の支持部材とを有する光モジュールであって、
   前記フレキシブル基板は、
   前記表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方が電気的に接続されるとともに、前記支持部材の側面に沿って曲げられて前記支持部材に固定されており、
   その曲げ部分の直径は、前記フレキシブル基板と、前記表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方が搭載された面と、前記回路基板との電気的接続をなす部分とがなす面の高低差よりも大きく、
   前記フレキシブル基板の曲げ部分は、最も前記回路基板に接近した部分と前記回路基板との電気的接続をなす部分との高低差よりも、最も前記回路基板から遠い部分と前記表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方を搭載した部分の面との高低差の方が大きいことを特徴とする光モジュール。
3. 前記支持部材は金属材料で形成されており、
   前記表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方は、前記支持部材と接していることを特徴とする請求項２記載の光モジュール。
4. 前記支持部材は誘電体材料で形成されていることを特徴とする請求項２記載の光モジュール。
5. 前記支持部材は、前記フレキシブル基板を沿わせる部分が誘電体材料、前記表面発光素子及び表面受光素子の少なくとも一方が接する部分は金属材料によって形成されていることを特徴とする請求項２記載の光モジュール。
6. 前記フレキシブル基板を曲げることによって、前記回路基板との電気的接続をなす部分と最も前記回路基板から遠い部分との間に形成された側面部分に電子部品が搭載されたことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項記載の光モジュール。

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