JP2003207694A - 光モジュール - Google Patents
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Abstract
着脱可能で、かつ安定した光結合効率が得られる構造を
提供する。 【解決手段】 パッケージ1は、上方に光を出射する面
発光素子アレイ2と上方から光を受光する面受光素子ア
レイ3とを搭載すると共にLSIチップを搭載してい
る。パッケージ1の上面に平板マイクロレンズアレイ4
を固定したものに、アレイ光ファイバ7の光軸延長線上
にファイバ光軸と45度の角度をなすミラー9を形成し
た光ファイバコネクタ5をガイドピン12で位置決めし
て装着する。弾性材料からなるクランプ14によって光
ファイバコネクタ5を固定する。
Description
り、光入出力機構を有するLSIパッケージにおけるパ
ッケージと光ファイバの接続構造に関するものである。
ート化のために、CPUとメモリなどのLSI同士を光
ファイバや光導波路によって接続するボード内光接続が
有望視されている。ボード内光接続では光信号の入出力
機構を持つLSIを用い、光化されたLSIの入出力信
号を光ファイバアレイや光導波路によって伝播させる。
されているが、中でもLSIに光入出力機構を設ける構
造の一つとして、電光変換を垂直共振器表面発光レーザ
(Vertical cavity surface-emitting Laser、以下、V
CSELとする)に代表される面発光素子によって行う
と共に、光電変換をPINフォトダイオードに代表され
る面受光素子によって行い、これらの光素子をその表面
が基板と平行になるように実装し、光素子の光路をミラ
ーによって90度折り曲げてレンズを介して光ファイバ
と結合させる構造が有力候補の一つである。光路を90
度折り曲げることでボード上の頭上空間を低く抑えるこ
とができる。
ジ同士をファイバアレイで光接続する場合、通常の光モ
ジュールのようにピグテールファイバが取り付けられた
構造ではボード上にLSIを実装した際にファイバの余
長処理が煩雑となる問題があることから、光入出力機構
付きLSIパッケージと光ファイバとは着脱可能である
ことが望ましい。さらに、光ファイバの着脱において
は、精密な光軸調整の作業を行うことなく、ガイドピン
等の機構的な位置決めのみで最適な光結合が達成できる
ことが望ましく、そのためには着脱部における許容光軸
ずれ量がなるべく大きいことが求められる。
ジに光ファイバを着脱する場合、基板に対して水平方向
に着脱する構造にするとパッケージの周辺にファイバ着
脱用のスペースを設けざるを得ないことから、そのスペ
ースには他の部品を実装できず、実装密度を上げられな
いという問題がある。したがって、光ファイバの着脱は
基板に対して上下方向に行う構造が好ましい。
面受光素子と光ファイバ間の光路をミラーによって90
度変換しレンズを介して結合させる構造としては、特開
平4−308804号公報に開示された45度斜めカッ
トファイバに平板マイクロレンズを接着する方法や、特
開平10−115732号公報に開示された、面発光素
子及び面受光素子を収容したパッケージ上蓋にレンズを
取り付け、その上に45度のミラーを設け、横方向に配
置された光ファイバに結合させる構造が知られている。
示された従来の光モジュールの構造を示す斜視図であ
る。この光モジュールでは、光ファイバアレイ111の
先端を各光ファイバ110の光軸を含む一面に対して4
5度傾斜するように研磨して反射面112を形成し、そ
の後、反射面112の先端側を含むクラッド部を削除・
研磨して平面部113を形成する。そして、この平面部
113にレンズアレイ115を接着し、その出射側に受
光素子アレイ114を密着配置する。各光ファイバ11
0のコア部を伝搬してきた光は、反射面112で反射さ
れると平面部113から出射し、レンズアレイ115を
介して受光素子アレイ114に集光・入射される。
づいて光ファイバ110を基板に対して垂直方向に着脱
可能な構造にすると、光ファイバ110とレンズアレイ
115とからなる部材と、受光素子アレイ114を収容
するパッケージとに光モジュールを分割して、これらを
ガイドピン等で位置決めし、パッケージから光ファイバ
110を着脱する構造となる。このような構造では、光
学系の面から考えると、図6に示したようにまず受光モ
ジュールにこの構造を適用した場合、光ファイバ110
からの光がレンズアレイ115によって集光され、ファ
イバコア径よりも小さなスポットとなって受光素子アレ
イ114の受光面に集光される。
光面の直径は高速応答の可能なものほど小さく、30μ
m以下となることもある。この場合の許容軸ずれ量は5
μm以下程度が求められる。しかも、集光されるビーム
系はレンズアレイ115と受光素子アレイ114との距
離によって変わるため、光ファイバ110を着脱可能に
したことによって、レンズと受光素子間の距離が精密に
固定されない構造では結合効率が不安定になるという問
題が生じる。発光モジュールの場合も光線の向きが異な
るだけで基本的には同様の問題が生じる。
開示された従来の光モジュールの構造を示す断面図であ
る。この光モジュールは、半導体レーザ(以下、LDと
する)32及びPINフォトダイオード(以下、PDと
する)33を固定したシリコン基板31と、シリコン基
板31を内部に固定したパッケージ35と、パッケージ
35の上面を塞ぐように配置された、レンズ57及びレ
ンズ58が接着固定されているセラミック製のレンズ固
定部材59と、溝を形成してファイバを埋め込んだファ
イバ埋め込み基板54と、この基板54に切断溝55を
設けて固定したハーフミラー38と、この基板54の端
面に接着した反射ミラー39と、基板54の反対側の端
面に接着した、光ファイバ44を保持する精密キャピラ
リ43と、ファイバ埋め込み基板54をレンズ固定部材
59上に固定するファイバ位置固定部材60とを備えて
いる。
では、ファイバ端末側で光ファイバ44そのものが平坦
ではなく、さらにフィルタやミラーを貼り付けているの
で光ファイバ44が凸凹になっていて、パッケージ35
表面のレンズ57に光ファイバ44を装着するには光フ
ァイバ44の凸凹を埋めることが必要となる。このた
め、通常、透明な接着剤等を用いて光ファイバ44をレ
ンズ57に接着する構造が必須となる。また、光ファイ
バ44の位置を調整しながら接合固定する方式となる。
その結果、パッケージ35から光ファイバ44を着脱可
能な構造とはなりにくいという問題点があった。
し、基板面に対して垂直方向に光ファイバが着脱可能
で、パッケージと光ファイバを特別な光軸調整を必要と
することなく、少ない光結合損失で接続でき、光ファイ
バの繰り返しの着脱による損失変動を抑制可能な光モジ
ュールを提供することにある。
は、上方に光を出射する面発光素子(2)と上方から光
を受光する面受光素子(3)のうち少なくとも一方を搭
載するパッケージ(1)と、前記面発光素子及び面受光
素子の上方に位置するよう前記パッケージに固定された
平板マイクロレンズ(4)と、下方に位置する前記面発
光素子から出射した光を光ファイバ(7)に入射させ、
前記光ファイバを伝播してきた光を下方に位置する前記
面受光素子に入射させる光路変更部(9)を備えた光フ
ァイバコネクタ(5,5a,5b)と、この光ファイバ
コネクタの下面を前記パッケージの上面に当接させたと
き、前記面発光素子及び面受光素子と前記光ファイバと
が前記平板マイクロレンズ及び前記光路変更部を介して
光学的に結合するよう前記パッケージと前記光ファイバ
コネクタとを機械的に位置決めする位置決め手段(1
2,13−1,13−2,15,17−1,17−2,
18,19,21)と、前記光ファイバコネクタを前記
パッケージに着脱自在に固定する固定手段(14,1
5)とを有するものである。
おいて、前記光ファイバコネクタは、水平に配置された
前記光ファイバ(7)と、この光ファイバの端面近傍に
配置された前記光路変更部(9)と、前記光ファイバを
水平に固定するための溝(6)と、光ファイバコネクタ
の下面に配置され、前記溝との間で前記光ファイバを保
持する平板透明部材(11)とを備えるものである。ま
た、本発明の光モジュールの1構成例において、前記光
路変更部は、前記光ファイバの光軸とのなす角が略45
度のミラーである。また、本発明の光モジュールの1構
成例において、前記位置決め手段は、ガイドピン(1
2)と、このガイドピンに対応して前記パッケージの上
面と前記光ファイバコネクタの下面にそれぞれ設けら
れ、前記光ファイバコネクタが前記パッケージに装着さ
れるときに前記ガイドピンと嵌合するガイド穴(13−
1,13−2)とからなるものである。また、本発明の
光モジュールの1構成例において、前記位置決め手段
は、位置決め用ボール(18)と、この位置決め用ボー
ルに対応して前記パッケージの上面と前記光ファイバコ
ネクタの下面にそれぞれ設けられ、前記光ファイバコネ
クタが前記パッケージに装着されるときに前記位置決め
用ボールと嵌合する位置決め用窪み(17−1,17−
2)とからなるものである。また、本発明の光モジュー
ルの1構成例において、前記位置決め手段は、前記パッ
ケージの上面と前記光ファイバコネクタの下面のいずれ
か一方に設けられた位置決め用突起(19)と、この位
置決め用突起に対応して前記パッケージの上面と前記光
ファイバコネクタの下面の残りの一方に設けられ、前記
光ファイバコネクタが前記パッケージに装着されるとき
に前記位置決め用突起と嵌合する位置決め用窪み(2
1)とからなるものである。
明の目的、特徴および利点を明確にすべく、添付した図
面を参照しながら、本発明の実施の形態を以下に詳述す
る。図1は本発明の第1の実施の形態となる光モジュー
ルの実装途中の様子を示す斜視図、図2(a)は図1の
光モジュールの実装途中の様子を示す断面図、図2
(b)は図1の光モジュールの実装後の様子を示す断面
図である。
光素子アレイ2と上方から光を受光する面受光素子アレ
イ3とを搭載すると共に図示しないLSIチップ(半導
体集積回路)を搭載する、光入出力機構を有するLSI
パッケージである。面発光素子アレイ2及び面受光素子
アレイ3とLSIチップとの間は電気配線によって接続
されている。
ンズアレイ4が面発光素子アレイ2および面受光素子ア
レイ3の光軸に位置を合わせて固定されている。
イバコネクタである。この光ファイバコネクタ5の下面
には、複数のV字状溝からなるV溝列6が形成されてい
る。そして、V溝列6の各V字状溝中に、複数の光ファ
イバからなるアレイ光ファイバ7の各光ファイバを1本
ずつ配置する。
は、光ファイバ配置時にファイバコア16を遮らない程
度の高さの垂直端面のストッパ8を残して、略45度の
傾きを有する斜面が形成される。光ファイバの先端のエ
ッジをストッパ8に当接させることで光ファイバを係止
する。略45度の斜面には金等の金属膜を蒸着すること
で、ファイバ光軸と略45度の角度をなす光路変更部で
あるミラー9を形成する。
レイ光ファイバ7とミラー9との相対位置関係を最適な
状態にする必要があることから、光ファイバコネクタ5
とミラー9とは、図2に示すように一体成形されている
ことが望ましい。また、アレイ光ファイバ7の端面とミ
ラー9との間の空間には透明樹脂10を充填する。これ
によって、端面反射や光ファイバからの出射光の拡がり
を抑制することができる。
ジ1に対向する面に平板透明部材であるガラス板11を
接着することで、アレイ光ファイバ7をV溝列6に押し
付けると同時に、パッケージ1との光結合面を平面にす
る。光ファイバコネクタ5をパッケージ1に接続する際
の位置決めは2つのガイドピン12によって達成され
る。そのため、パッケージ1の上面と光ファイバコネク
タ5の下面には、それぞれガイドピン用のガイド穴13
−1,13−2を2つずつ予め設けておく。
着するには、2つのガイドピン12の一端をパッケージ
1のガイド穴13−1に挿入し、ガイドピン12の他端
を光ファイバコネクタ5のガイド穴13−2に挿入し
て、光ファイバコネクタ5をパッケージ1上に載せる。
そして、光ファイバコネクタ5とパッケージ1との接続
を確実なものとするため、弾性材料からなるクランプ1
4によって光ファイバコネクタ5をパッケージ1に固定
する。パッケージ1の2つの側面に予め設けられたクラ
ンプ爪用窪み15にクランプ14の爪20が掛かるよう
になっている。このとき、光ファイバコネクタ5はクラ
ンプ14の弾力によってパッケージ1に押しつけられ
る。
うに面発光素子アレイ2中の各面発光素子からの光ビー
ムは、パッケージ上方に出射され、平板マイクロレンズ
アレイ4中の対応するマイクロレンズによって集光され
て放射角度が狭められ、ミラー9で反射されて光路が9
0度変換された後、アレイ光ファイバ7中の対応する光
ファイバのファイバコア16に入射する。
イバ7中の各光ファイバからの出射光は、ミラー9で反
射されて90度下方に光路変換され、平板マイクロレン
ズアレイ4中の対応するマイクロレンズによって集光さ
れて放射角度が狭められ、面受光素子アレイ3中の対応
する面受光素子に入射する。
外す場合には、クランプ14の爪20をパッケージ1の
クランプ爪用窪み15から外せばよい。以上のような構
成により、面発光素子アレイ2及び面受光素子アレイ3
とアレイ光ファイバ7との光結合における、許容光軸ず
れ量の大きい個所、すなわち光ビームの太い部分でパッ
ケージ1と光ファイバコネクタ5とを分けて着脱できる
ため、パッケージ1と光ファイバとの接続において安定
した結合効率が得られる。
ス板11とを使用することにより、光ファイバコネクタ
5とパッケージ1との結合面が平面になるため、光ファ
イバコネクタ5とパッケージ1とを密着させて接続する
ことができ、光ファイバコネクタ5とパッケージ1との
間に屈折率整合剤を介在させることにより、反射の影響
を抑制することも可能である。また、平板マイクロレン
ズアレイ4を使用することにより、通常250μm程度
のピッチであるアレイ光素子を用いたパッケージ1に本
発明を適用することができる。
の実施の形態について説明する。図3は本発明の第2の
実施の形態となる光モジュールの実装途中の様子を示す
斜視図であり、図1と同一の構成には同一の符号を付し
てある。光ファイバコネクタ5とパッケージ1との位置
決めに際し、第1の実施の形態ではガイドピン12とガ
イド穴13−1,13−2を採用したが、パッケージ1
を薄型化すると、ガイドピン12の長さを短くしなけれ
ばならず、ガイドピン12そのものの製作が困難にな
る。
2の代わりに、光ファイバコネクタ5aをパッケージ1
aに接続する際の位置決めを球状の2つの位置決め用ボ
ール18によって行う。そのため、パッケージ1aの上
面と光ファイバコネクタ5aの下面には、それぞれ角錐
形状の位置決め用窪み17−1,17−2を2つずつ予
め設けておく。
に装着するには、2つの位置決め用ボール18を位置決
め用窪み17−1,17−2の中に収めるようにして光
ファイバコネクタ5aをパッケージ1a上に載せる。そ
して、クランプ14を使って光ファイバコネクタ5aを
パッケージ1aに固定する。その他の構成については第
1の実施の形態と同様である。なお、微小サイズの位置
決め用ボール18は取り扱いにくいので、パッケージ1
側の位置決め用窪み17−1若しくは光ファイバコネク
タ5a側の位置決め用窪み17−2のどちらかに予め接
着しておく。
の実施の形態について説明する。図4は本発明の第3の
実施の形態となる光モジュールの実装途中の様子を示す
斜視図であり、図1と同一の構成には同一の符号を付し
てある。本実施の形態では、パッケージ1b上面に2つ
の位置決め用突起19を設け、この突起19に対応して
光ファイバコネクタ5b側に2つの位置決め用窪み21
を設け、光ファイバコネクタ5bをパッケージ1bに装
着する際には、位置決め用突起19と位置決め用窪み2
1とを嵌合させて、光ファイバコネクタ5bとパッケー
ジ1bとの位置決めを行うようにしたものである。
具体的な実施の形態について説明する。第1〜第3の実
施の形態において、面発光素子アレイ2を垂直共振器表
面発光レーザ(Vertical cavity surface-emitting Las
er、以下、VCSELとする)アレイとし、面受光素子
アレイ3を表面受光型PINフォトダイオードアレイと
する。光ファイバをGI62.5またはGI50マルチ
モードファイバとし、アレイ光ファイバ7中の各光ファ
イバのピッチを250μm、同様に面発光素子アレイ2
及び面受光素子アレイ3中の各光素子のピッチを250
μmとする。
脂のトランスファモールドによってV溝列6、ストッパ
8、略45度斜面(ミラー9)、ガイド穴13−2、位
置決め用窪み17−2,21等を一体形成したものであ
る。略45度斜面には金等の金属膜を蒸着することで、
ミラー9を形成する。
化させたものである。すなわち、V溝列6にアレイ光フ
ァイバ7を固定する際に、アレイ光ファイバ7の周囲お
よびアレイ光ファイバ7の端面とミラー9との間の空間
を紫外線硬化型接着剤で充填し、ガラス板11によって
アレイ光ファイバ7をV溝列6に押し付け、紫外線を照
射して紫外線硬化型接着剤を硬化させ、アレイ光ファイ
バ7とガラス板11とを光ファイバコネクタ5,5a,
5bに固定する。
に樹脂のトランスファモールドによって製作し、ガイド
穴13−1、クランプ爪用窪み15、位置決め用窪み1
7−1、位置決め用突起19を設ける。面発光素子アレ
イ2及び面受光素子アレイ3と平板マイクロレンズアレ
イ4との距離が最適となるよう、面発光素子アレイ2及
び面受光素子アレイ3の実装高さと、面発光素子アレイ
2及び面受光素子アレイ3の厚さを適宜調整する。
されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の
形態は適宜変更され得ることは明らかである。例えば、
アレイ光ファイバ7を光導波路アレイに置き換えてもよ
いし、光ファイバコネクタ5,5a,5bのV溝列6を
キャピラリに置き換えてもよく、また光ファイバコネク
タ5,5a,5b及びパッケージ1の成形を切削加工に
よって行ってもよい。
素子と光ファイバとの光結合における許容光軸ずれ量の
大きい個所、すなわち光ビームの太い部分でパッケージ
と光ファイバコネクタとを分けて着脱できるため、パッ
ケージと光ファイバとの接続において安定した結合効率
が得られ、光ファイバの繰り返しの着脱による損失変動
を抑制することができる。また、位置決め手段を設ける
ことにより、特別な光軸調整が不要となる。また、平板
マイクロレンズと平板透明部材とを使用することによ
り、光ファイバコネクタとパッケージとの結合面が平面
になるため、光ファイバコネクタとパッケージとを密着
させて接続することができ、光ファイバコネクタとパッ
ケージとの間に屈折率整合剤を介在させることにより、
反射の影響を抑制することも可能である。さらに、平板
マイクロレンズを使用することにより、通常250μm
程度のピッチであるアレイ光素子を用いたパッケージに
本発明を適用することができる。
ルの実装途中の様子を示す斜視図である。
様子を示す断面図である。
ルの実装途中の様子を示す斜視図である。
ルの実装途中の様子を示す斜視図である。
る。
の問題点を説明するための図である。
である。
3…面受光素子アレイ、4…平板マイクロレンズアレ
イ、5、5a、5b…光ファイバコネクタ、6…V溝
列、7…アレイ光ファイバ、8…ストッパ、9…ミラ
ー、10…透明樹脂、11…ガラス板、12…ガイドピ
ン、13−1、13−2…ガイド穴、14…クランプ、
15…クランプ爪用窪み、16…ファイバコア、17−
1、17−2…位置決め用窪み、18…位置決め用ボー
ル、19…位置決め用突起、20…爪、21…位置決め
用窪み。
Claims (6)
- 【請求項1】 上方に光を出射する面発光素子と上方か
ら光を受光する面受光素子のうち少なくとも一方を搭載
するパッケージと、 前記面発光素子及び面受光素子の上方に位置するよう前
記パッケージに固定された平板マイクロレンズと、 下方に位置する前記面発光素子から出射した光を光ファ
イバに入射させ、前記光ファイバを伝播してきた光を下
方に位置する前記面受光素子に入射させる光路変更部を
備えた光ファイバコネクタと、 この光ファイバコネクタの下面を前記パッケージの上面
に当接させたとき、前記面発光素子及び面受光素子と前
記光ファイバとが前記平板マイクロレンズ及び前記光路
変更部を介して光学的に結合するよう前記パッケージと
前記光ファイバコネクタとを機械的に位置決めする位置
決め手段と、 前記光ファイバコネクタを前記パッケージに着脱自在に
固定する固定手段とを有することを特徴とする光モジュ
ール。 - 【請求項2】 請求項1記載の光モジュールにおいて、 前記光ファイバコネクタは、水平に配置された前記光フ
ァイバと、この光ファイバの端面近傍に配置された前記
光路変更部と、前記光ファイバを水平に固定するための
溝と、光ファイバコネクタの下面に配置され、前記溝と
の間で前記光ファイバを保持する平板透明部材とを備え
ることを特徴とする光モジュール。 - 【請求項3】 請求項2記載の光モジュールにおいて、 前記光路変更部は、前記光ファイバの光軸とのなす角が
略45度のミラーであることを特徴とする光モジュー
ル。 - 【請求項4】 請求項1記載の光モジュールにおいて、 前記位置決め手段は、ガイドピンと、このガイドピンに
対応して前記パッケージの上面と前記光ファイバコネク
タの下面にそれぞれ設けられ、前記光ファイバコネクタ
が前記パッケージに装着されるときに前記ガイドピンと
嵌合するガイド穴とからなることを特徴とする光モジュ
ール。 - 【請求項5】 請求項1記載の光モジュールにおいて、 前記位置決め手段は、位置決め用ボールと、この位置決
め用ボールに対応して前記パッケージの上面と前記光フ
ァイバコネクタの下面にそれぞれ設けられ、前記光ファ
イバコネクタが前記パッケージに装着されるときに前記
位置決め用ボールと嵌合する位置決め用窪みとからなる
ことを特徴とする光モジュール。 - 【請求項6】 請求項1記載の光モジュールにおいて、 前記位置決め手段は、前記パッケージの上面と前記光フ
ァイバコネクタの下面のいずれか一方に設けられた位置
決め用突起と、この位置決め用突起に対応して前記パッ
ケージの上面と前記光ファイバコネクタの下面の残りの
一方に設けられ、前記光ファイバコネクタが前記パッケ
ージに装着されるときに前記位置決め用突起と嵌合する
位置決め用窪みとからなることを特徴とする光モジュー
ル。
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