JP7059865B2

JP7059865B2 - 光送信器

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Publication number: JP7059865B2
Application number: JP2018151308A
Authority: JP
Inventors: 崇白石
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2018-08-10
Filing date: 2018-08-10
Publication date: 2022-04-26
Anticipated expiration: 2038-08-10
Also published as: US10659169B2; US20200052797A1; JP2020027846A

Description

本発明は、光送信器に関する。

近年、サーバや高性能コンピュータの分野では、大容量データ伝送を可能とするために、電気信号を光信号に変換して伝送する光送信器が用いられている。また、複数のチャネル（マルチチャネル）を用いて、データを送信する光送信器が知られている。

図１は、マルチチャネル光送信器のブロック図およびクロストークを示すである。
図１は、２チャンネル（チャネル１とチャネル２）の光送信器のブロック図である。光送信器１０のチャネル１には、ドライバ１１－１およびVCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）１２－１が設けられ、チャネル２にはドライバ１１－２およびVCSEL１２－２が設けられている。ドライバ１１－１、１１－２は、VCSEL１２－１，１２－２をそれぞれ駆動し、VCSEL１２－１，１２－２は、それぞれ入力された電気信号を光信号に変換してデータを伝送する。ドライバ１１－１の消費電流が大きくなると、グランド経由したクロストーク影響が大きくなる。

高速動作を簡易な構成で実現し、製造工程を短縮し製造コストを低減できるハイブリッド集積モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４－１１９５０６号公報特開平１０－２２３７８８号公報特開２０１６－９２３０３号公報特開２０１２－６８５３９号公報

現在、チャネル間のピッチは２５０μｍであり、今後、さらなる高密度化が望まれている。また、伝送速度の向上が望まれており、今後、伝送速度は１チャネルあたり５６Ｇｂｐｓ（ギガビット／秒）となる予定である。

マルチチャネルの光送信器において、チャネル間のピッチの狭小化および高速化によるドライバ内の電流の増加に伴い、グランド経由したクロストークの影響が顕著になる。

本発明は、チャネル間のクロストークを削減することを目的とする。

実施の形態に係る光送信器は、発光素子と、ドライバと、第１のプリント基板と、コネクタと、筐体と、筐体と、第２のプリント基板と、を有する。

前記ドライバは、前記発光素子を駆動する。
前記プリント基板は、前記発光素子と前記ドライバとを接続する複数のチャネルの複数の第１グラント配線および絶縁部で覆われた複数のアノード配線が第１の面に形成され、前記第１の面の反対側の第２の面に前記複数の第１グラント配線と接続する第２グランド配線が形成される。

前記コネクタは、前記第１のプリント基板を支え、前記第２グランド配線に接続する。
前記筐体は、前記第１のプリント基板および前記コネクタを覆い、導電性を有する。

前記接続部材は、前記筐体および第１グランド配線に接触し、前記筐体と前記第１グランド配線とを電気的に接続する。

前記第２のプリントは、基板前記コネクタと前記筐体を搭載し、前記コネクタを介して前記第２グランド配線と電気的に接続するとともに前記筐体と電気的に接続する第３グランド配線を有する。

実施の形態に係る光送信器によれば、チャネル間のクロストークを削減できる。

マルチチャネル光送信器のブロック図およびクロストークを示すである。実施の形態に係る光送信器の断面図（その１）である。実施の形態に係る光送信器のＦＰＣの上面図である。実施の形態に係る光送信器の断面図（その２）である。従来技術および実施の形態のＶＣＳＥＬとドライバ間のグランド配線インピーダンスとクロストークペナルティを示す図。他の実施の形態に係る光送信器の断面図（その１）である。他の実施の形態に係る光送信器のＦＰＣの上面図である。他の実施の形態に係る光送信器の断面図（その２）である。

以下、図面を参照しながら実施の形態について説明する。
図２は、実施の形態に係る光送信器の断面図（その１）である。図３は、実施の形態に係る光送信器のＦＰＣの上面図である。図４は、実施の形態に係る光送信器の断面図（その２）である。図２は、光送信器１０１を破断線ＩＩ－ＩＩ’に沿って破断した断面図である。図４は、光送信器１０１を破断線ＩＶ－ＩＶ’に沿って破断した断面図である。

光送信器１０１は、プリント基板１１１、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）１２１、コネクタ１３１、ドライバ１４１、ＶＣＳＥＬ１５１、導体１６１、ミラー１７１、筐体１８１、および光導波路１９１を有する。光送信器１０１は、例えば、サーバ、スーパーコンピュータ、または映像機器等の装置に接続され、該装置から出力された電気信号を光信号に変換して、該光信号を受信側の装置に出力する。光送信器１０１は、２チャンネルで信号を伝送する。尚、実施の形態のチャネル数は一例であり、２チャンネルより多くてもよい。

プリント基板１１１には、コネクタ１３１、筐体１８１、および光導波路１９１が設置され、コネクタ１３１を介してＦＰＣ１２１が接続されている。プリント基板１１１は、グランド配線（以下、グランドと表記）１１２を有し、グランド１１２は筐体１８１と電気的に接続（導通）している。また、グランド１１２は、コネクタ１３１を介してＦＰＣ１２１のグランド１２６と電気的に接続している。

ＦＰＣ１２１は、可撓性を有する回路基板である。ＦＰＣ１２１は、第１のプリント基板の一例である。ＦＰＣ１２１は、ポリイミド等の薄くて高周波で電気信号の損失が少なく、かつ透明な材料で作られる。実施の形態において、ＦＰＣ１２１は、２層のＦＰＣであり、ＦＰＣの両面には、配線がパターニングされる。実施の形態において、ＦＰＣ１２１の両面のうち、筐体１８１と向かい合う面を表面、反対側のプリント基板１１１と向かい合う面を裏面と称する。

ＦＰＣ１２１の表面には、ドライバ１４１およびＶＣＳＥＬ１５１がフリップチップ実装されている。ＦＰＣ１２１の表面には、コネクタ１３１とドライバ１４１とを接続する配線１２２が設けられている。ＦＰＣ１２１の表面には、ドライバ１４１とＶＣＳＥＬ１５１とを接続するグランド１２４－ｉ（ｉ＝１，２）およびアノード配線１２３－ｉが設けられている。アノード配線１２３－１、１２３－２は、それぞれチャネル１，２の信号線である。グランド１２４－１、１２４－２は、それぞれチャネル１，２のグランド配線線である。図３に示すように、グランド１２４－ｉとアノード配線１２３－ｉは交互に配置されている。

アノード配線１２３－ｉは、絶縁性のソルダレジスト１２５－ｉで覆われている。ソルダレジスト１２５－ｉにより、アノード配線１２３－ｉと導体１６１とは電気的に絶縁している。実施の形態において、ソルダレジスト１２５－１とソルダレジスト１２５－２との隙間は、１００μｍである。ソルダレジスト１２５－ｉは、絶縁部の一例である。

ＦＰＣ１２１の裏面には、グランド１２６が設けられている。グランド１２６は、コネクタ１３１を介してグランド１１２と電気的に接続している。グランド１２６は、ＦＰＣ１２１を通過する配線によりグランド１２４－ｉと電気的に接続している。

コネクタ１３１は、プリント基板１１１に設置され、ＦＰＣ１２１を支えている。コネクタ１３１は、光送信器１０１が接続されている装置から入力された電気信号を配線１２２を介してドライバ１４１に出力する。コネクタ１３１は、ＦＰＣ１２１のグランド１２６とプリント基板１１１のグランド１１２とを電気的に接続する。

ドライバ１４１およびＶＣＳＥＬ１５１は、２チャンネルで信号を伝送する。ドライバ１４１は、２チャンネル分の集積回路を有し、ＶＣＳＥＬ１５１は、２チャンネル分の発光素子を有する。

ドライバ１４１は、ＶＣＳＥＬ１５１を駆動し、各チャネルの電気信号をアノード１２３－ｉを介してＶＣＳＥＬ１５１に出力する。

ＶＣＳＥＬ１５１は、入力された電気信号を光信号に変換する半導体レーザーである。ＶＣＳＥＬ１５１は、ドライバ１４１から入力された電気信号を光信号に変換し、当該光信号をミラー１７１に出力する。ＶＣＳＥＬ１５１は、発光素子の一例である。

導体１６１は、導電性を有する素材、例えば、金、銅、または鉄などの金属の繊維や小さなクズで構成され、細かな凹凸を有する。導体１６１は、例えば、スチールウールやラメカールワイヤ等の金属繊維の集合体（例えば、金属繊維の束や塊など）である。金属の繊維は、例えば、金ワイヤなどが用いられる。

金属繊維の集合体である導体１６１は、弾力性を有し、筐体１８１とＦＰＣ１２１との隙間にフィットするように変形し、筐体１８１およびグランド１２４－ｉと接触する。それにより、筐体１８１とＦＰＣ１２１のグランド１２４－ｉ，１２６とプリント板１１１のグランド１１２とが電気的に接続される。金属繊維の直径は、隣接するアノード１２３－ｉ間の距離より小さく、詳細には隣接するアノード１２３－ｉを覆うレジスト１２５－ｉ間の隙間よりも小さい。それにより、金属繊維は、レジスト１２５－１とレジスト１２５－２と間の隙間に入り込み、グランド１２４－２と接続する。例えば、実施の形態において、導体１６１を構成する金属繊維の直径は、レジスト１２５－１とレジスト１２５－２間の隙間＝１００μｍより小さい。

また、導体１６１が弾力性を有することで、筐体１８１およびＦＰＣ１２１にかかる圧力を低減できる。また、導体１６１は、筐体１８１およびＦＰＣ１２１に対して着脱可能である。導体１６１は、接続部材の一例である。

ミラー１７１は、光導波路１９１内に設置され、ＶＣＳＥＬ１５１から出力された光信号を光導波路１９１の内部に反射する。反射された光信号は光導波路１９１を介して、光導波路１９１に接続される光受信器（不図示）に伝送される。

筐体１８１は、ＦＰＣ１２１、コネクタ１３１、ドライバ１４１、およびＶＣＳＥＬ１５１を覆い、ＦＰＣ１２１、コネクタ１３１、ドライバ１４１、およびＶＣＳＥＬ１５１を保護する。筐体１８１は、導電性を有し、例えば、アルミニウム等の金属により作られる。筐体１８１の内部の天井の凸部は、導体１６１と接触している。それにより、筐体１８１とグランド１２４－ｉは、電気的に接続している。筐体１８１は、グランド１１２と電気的に接続している。

光導波路１９１は、光信号を伝送する伝送路であり、光送信器１０１と光送信器１０１から出力された光信号を受信する光受信器（不図示）とを接続する。

上述のように、光送信器１０１において、導体１６１により筐体１８１とＦＰＣ１２１のグランド１２４－ｉとが電気的に接続している。それにより、筐体１８１と、ＦＰＣ１２１のグランド１２４－ｉ、１２６と、プリント板１１１のグランド１１２とが電気的に接続される。それにより、グランドが強化され、チャネル間のクロストークが削減される。

図５は、従来技術および実施の形態のＶＣＳＥＬとドライバ間のグランド配線インピーダンスとクロストーク（ＸＴ）ペナルティを示す図である。

図５の縦軸はクロストークペナルティ（ｄＢ）、横軸はドライバ１４１とＶＣＳＥＬ１５１間のグランド１２４－ｉのインピーダンスを示す。

従来技術の光送信器では、筐体と、ＶＣＳＥＬとドライバ間のグランドと、が電気的に接続しておらず、筐体とプリント基板のグランドとが電気的に接続していない。一方、実施の形態の光送信器１０１において、筐体１８１とＦＰＣ１２１のグランド１２４－ｉ，１２６とプリント板１１１のグランド１１２とが電気的に接続され、グランドが強化されている。

従来技術および実施の形態の光送信器において、伝送レートは２８Ｇｂｐｓ、ナイキスト周波数は１４ＧＨｚとする。この場合、従来技術では、ＶＣＳＥＬとドライバ間のグランドのインピーダンスは１０Ω、クロストークペナルティは１．４５ｄＢとなる。実施の形態では、ＶＣＳＥＬ１５１とドライバ１４１間のグランド１２４－ｉのインピーダンスは１．６２Ω、クロストークペナルティは１．１ｄＢとなる。実施の形態では、従来技術に比べて、クロストークペナルティが０．３５ｄＢ低下する。

実施の形態の光送信器１０１によれば、チャネル間のクロストークを削減できる。
また、導体１６１を用いずに筐体１８１とＦＰＣ１２１のグランド１２４－ｉとを導通させる場合、筐体１８１に細かな凹凸を設けて、当該凹凸の凸部とグランド１２４－ｉとを接触させることが考えられる。しかしながら、チャネル間の間隔は非常に狭いため、筐体１８１の細かな凸部とグランド１２４－ｉとを接触させるためには、非常に高い筐体１８１の搭載精度が要求される。そのため、筐体１８１に細かな凹凸を設けて、当該凹凸の凸部とグランド１２４－ｉとを接触させることは、困難である。実施の形態の光送信器１０１によれば、導体１６１を用いることで、筐体１８１のプリント基板１１１への取り付け時に非常に高い搭載精度が要求されず、光送信器１０１の作成が容易になる。

また、アノード１２３－ｉとグランド１２４－ｉとをＦＰＣ１２１の裏面に設け、グランド１２６をＦＰＣ１２１の表面に設け、導体１６１を用いずに筐体１８１とグランド１２６を接触させることが考えられる。この場合、グランド１２６の面積は大きいため、筐体１８１とグランド１２６を接触させることは容易であり、筐体１８１の搭載時に高い搭載精度が要求されない。しかしながら、ＦＰＣ１２１の裏面にアノード１２３－ｉがあると、アノード１２３－ｉはドライバ１４１およびＶＣＳＥＬ１５１から遠くなるため、信号が劣化してしまう。実施の形態の光送信器１０１によれば、アノード１２３－ｉがドライバ１４１およびＶＣＳＥＬ１５１に近いＦＰＣ１２１の表面に設けられているため、信号の劣化が少ない。

図６は、他の実施の形態に係る光送信器の断面図（その１）である。図７は他の実施の形態に係る光送信器のＦＰＣの上面図である。図８は、他の実施の形態に係る光送信器の断面図（その２）である。図６は、光送信器２０１を破断線ＶＩ－ＶＩ’に沿って破断した断面図である。図８は、光送信器２０１を破断線ＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ’に沿って破断した断面図である。

光送信器２０１は、プリント基板１１１、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）１２１、コネクタ１３１、ドライバ１４１、ＶＣＳＥＬ１５１、導体１６１、ミラー１７１、筐体１８１、および光導波路１９１を有する。

図６～８において、図２～４の実施の形態の構成要素と同様の機能を有する構成要素には、同じ符号を付与し、説明は省略する。

実施の形態の光送信器１０１では、グランド１２４－ｉと筐体１８１とを電気的に接続させるために、例えば金属繊維の集合体である導体１６１を用いたが、他の実施の形態の光送信器２０１では、導電接着剤１６２を用いる。

光送信器２０１では、ＦＰＣ１２１のグランド１２４－ｉと筐体１８１とを電気的に接続させるために、導電接着剤１６２を用いる。導電接着剤１６２は、導電性、流動性、および粘性を有する。導電接着剤１６２は、例えば、銀ペーストである。導電接着剤１２は、接続部材の一例である。

導電接着剤１６２は、グランド１２４－ｉおよびソルダレジスト１２５－ｉの上に塗布される。導電接着剤１６２の塗布後に筐体１８１がプリント基板１１１に取り付けられることにより、導電接着剤１６２と筐体１８１の内部の天井の凸部とが接触する。それにより、ＦＰＣ１２１のグランド１２４－ｉ、１２６と筐体１８１とが電気的に接続される。

光送信器２０１において、導電接着剤１６２により筐体１８１とＦＰＣ１２１のグランド１２４－ｉとが電気的に接続している。それにより、筐体１８１と、ＦＰＣ１２１のグランド１２４－ｉ、１２６と、プリント板１１１のグランド１１２とが電気的に接続される。それにより、グランドが強化され、チャネル間のクロストークが削減される。

他の実施の形態の光送信器２０１によれば、チャネル間のクロストークを削減できる。
また、導電接着剤１６２を用いずに筐体１８１とＦＰＣ１２１のグランド１２４－ｉとを導通させる場合、筐体１８１に細かな凹凸を設けて、当該凹凸の凸部とグランド１２４－ｉとを接触させることが考えられる。しかしながら、チャネル間の間隔は非常に狭いため、筐体１８１の細かな凸部とグランド１２４－ｉとを接触させるためには、非常に高い筐体１８１の搭載精度が要求される。そのため、筐体１８１に細かな凹凸を設けて、当該凹凸の凸部とグランド１２４－ｉとを接触させることは、困難である。他の実施の形態の光送信器２０１によれば、導電接着剤１６２を用いることで、筐体１８１のプリント基板１１１への取り付け時に非常に高い搭載精度が要求されず、光送信器２０１の作成が容易になる。

また、アノード１２３－ｉとグランド１２４－ｉとをＦＰＣ１２１の裏面に設け、グランド１２６をＦＰＣ１２１の表面に設け、導体１６１を用いずに筐体１８１とグランド１２６を接触させることが考えられる。この場合、グランド１２６の面積は大きいため、筐体１８１とグランド１２６を接触させることは容易であり、筐体１８１の搭載時に高い搭載精度が要求されない。しかしながら、ＦＰＣ１２１の裏面にアノード１２３－ｉがあると、アノード１２３－ｉはドライバ１４１およびＶＣＳＥＬ１５１から遠くなるため、信号が劣化してしまう。他の実施の形態の光送信器２０１によれば、アノード１２３－ｉがドライバ１４１およびＶＣＳＥＬ１５１に近いＦＰＣ１２１の表面に設けられているため、信号の劣化が少ない。

１０１光送信器
１１１プリント基板
１１２グランド
１２１ＦＰＣ
１２２配線
１２３アノード配線
１２４グランド
１２５ソルダレジスト
１２６グランド
１３１コネクタ
１４１ドライバ
１５１ＶＣＳＥＬ
１６１導体
１６２導電接着剤
１７１ミラー
１８１筐体
１９１光導波路

Claims

発光素子と、
前記発光素子を駆動するドライバと、
前記発光素子と前記ドライバとを接続する複数のチャネルの複数の第１グラント配線および絶縁部で覆われた複数のアノード配線が第１の面に形成され、前記第１の面の反対側の第２の面に前記複数の第１グラント配線と接続する第２グランド配線が形成される第１のプリント基板と、
前記第１のプリント基板を支え、前記第２グランド配線に接続するコネクタと、
前記第１のプリント基板および前記コネクタを覆う導電性の筐体と、
前記筐体および第１グランド配線に接触し、前記筐体と前記第１グランド配線とを電気的に接続する接続部材と、
前記コネクタと前記筐体を搭載し、前記コネクタを介して前記第２グランド配線と電気的に接続するとともに前記筐体と電気的に接続する第３グランド配線を有する第２のプリント基板と、
を備える光送信器。
前記接続部材は、金属繊維の集合体であり、弾力性を有することを特徴とする請求項１記載の光送信器。
前記金属繊維の直径は、前記複数のアノード配線のうちの第１アノード配線を覆う絶縁部と前記第１アノード配線の隣の第２アノード配線を覆う絶縁部との間の距離よりも小さいことを特徴とする請求項２記載の光送信器。
前記接続部材は、導電接着剤であることを特徴とする請求項１記載の光送信器。