JP2004235418A - 光モジュール、光通信装置、光電気混載集積回路、回路基板、電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造で光素子の発光面又は受光面の保護に優れ、光通信に用いて好適な光モジュールを提供すること。
【解決手段】本発明の光モジュール（１）は、供給される電気信号に応じて信号光を出射し又は供給される信号光の強度に応じて電気信号を発生する光素子（２０）と、当該光素子（２０）に対する電気信号の伝送を担う多層配線（１２，１４，１６）と、光素子（２０）において発光又は受光される光の波長に対して光透過性を有し、光素子（２０）及び多層配線（１２，１４，１６）を支持する透明基板（１０）と、を含み、上記光素子（２０）は多層配線（１２，１４，１６）に設けられた開口部（２１）内にその発光面又は受光面が配置されており、当該開口部（２１）及び透明基板（１０）を通して信号光の入射又は出射がなされる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、複数の装置相互間あるいは装置内部などにおける情報通信（信号伝送）を光信号によって行う光通信に用いる装置、部品等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）、コンピュータ装置相互間の直接接続、コンピュータ装置及びデジタルオーディオ・ビデオ機器の相互接続などに、光ファイバを用いるものがある。このような装置には、電気信号を光信号に変えて光ファイバに送ると共に、光ファイバから受けた光信号を電気信号に戻す光トランシーバが使用される。また、近年では、上述したような装置相互間における情報通信の他に、装置の内部における信号伝送においても光通信が導入され始めており、装置内の回路チップ間やモジュール間などにおいて、金属配線に電気信号を流す従来方法に代えて、光ファイバ（テープファイバ）や光導波路に光信号を通して行う方法が採用されつつある。
【０００３】
このような光通信には、送信情報を担う電気信号を光信号に変換する発光素子、受信情報を担う光信号を電気信号に変換する受光素子、これらの発光素子又は受光素子を駆動するドライバなどが必要となる。一般には、これらの発光素子、受光素子、ドライバ等は、銅などからなる配線パターンを備える配線基板上に実装されて相互間の信号伝送がなされ、それぞれ所定の動作を行う。このような発光素子等が実装される配線基板としては、例えば、特開２０００−２７７６６１号公報に開示された多層基板などが知られている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２７７６６１号公報
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来例のような回路基板（多層基板）に発光素子等を実装する場合には、一般に発光面又は受光面を回路基板の素子実装面と反対側に向けて配置するることになるが、この場合には発光素子の発光面等が露出した状態となりその保護に欠け、粉塵等の付着による発光光量（又は受光効率）の低下や破損を生じやすいという不都合がある。これに対して、発光面等を保護する部材等を設ける場合には部品数が増加して構造が複雑化し、製造工数の増加を招くので好ましくない。また、発光面等を保護する部材を備える発光素子等を用いると、その分だけコストの増加を招くのでこれも好ましくない。
【０００５】
そこで、本発明は、簡易な構造で光素子の発光面又は受光面の保護に優れ、光通信に用いて好適な光モジュールを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の光モジュールは、供給される電気信号に応じて信号光を出射し又は供給される信号光の強度に応じて電気信号を発生する光素子と、当該光素子に対する電気信号の伝送を担う多層配線と、光素子において発光又は受光される光の波長に対して光透過性を有し、光素子及び多層配線を支持する透明基板と、を含み、上記光素子は多層配線に設けられた開口部内にその発光面又は受光面が配置されており、当該開口部及び透明基板を通して信号光の入射又は出射がなされる。
【０００７】
かかる構成とすることにより、光素子の発光面又は受光面と透明基板の一方面とが向き合う構造となるので、簡易な構造で光素子の発光面又は受光面を保護することが可能となる。
【０００８】
ここで本明細書において「透明基板」とは、光素子において用いられる光の波長に対する光透過性を有するものであればよく、必ずしも可視光に対する透過性を有するものに限定されない。例えば、光素子に用いられる光の波長が可視光またはそれに近い値（例えば８５０ｎｍなど）の場合には、ガラスやプラスチックなどの材料を用いて透明基板を構成することが可能であり、光の波長が比較的に長波長（例えば１３００ｎｍ〜１５００ｎｍなど）の場合には、シリコンやゲルマニウムなどの材料により透明基板を構成することが可能である。
【０００９】
上述した多層配線は、マイクロストリップ伝送路とすることが好適である。マイクロストリップ伝送路（マイクロストリップライン）を用いることにより高周波信号への対応が容易となり、高速な光通信に用いて好適な光モジュールを実現することが可能となる。
【００１０】
また、光素子と多層配線は、共に透明基板の一方面側に配置されることが好ましい。これにより、光素子と多層配線との電気的接続を図ることが容易となる。
【００１１】
また、多層配線は、透明基板の一方面上に共通配線層、誘電体層及び信号線層を積層して構成されており、光素子は信号線層の上側に配置されることが好ましい。この場合には、透明基板の他方面側と光素子との間に共通配線層を挟んだ配置となるので、この共通配線層を接地電位に接続することにより、透明基板の他方面側から光素子へノイズが入ることを抑制することが容易になる。
【００１２】
また、多層配線は、透明基板の一方面上に信号線層、誘電体層及び共通配線層を積層して構成されており、光素子は信号線層の上側に配置されることも好ましい。この場合には、光素子の下側に配置される層が少なくなることによりこの領域の高さ（厚さ）の制御がしやすく、光素子の発光面又は受光面の位置精度（特に水平位置の精度）を確保することが容易になる。
【００１３】
また、透明基板の他方面側であって光素子の発光面又は受光面と対向する位置に配置される光学要素を更に備えることが好ましい。ここで本明細書において「光学要素」とは、入射する光に対して何らかの光学的作用（例えば、屈折や回折等）を与えるものをいい、例えば、レンズや回折格子などが挙げられる。透明基板を挟んで光素子と光学要素を対向配置させるので、当該透明基板の厚みによって光素子と光学要素の間に必要な光学的距離を確保することができる。これにより、光学要素を独立に配置する場合に比べて位置精度の確保が容易であり、組立工程の簡略化が可能となる。
【００１４】
また、本発明は、上述した光モジュールを備える光通信装置（光トランシーバ）でもある。このような本発明にかかる光通信装置は、例えば、パーソナルコンピュータやいわゆるＰＤＡ（携帯型情報端末装置）など、光を伝送媒体として外部装置等との間の情報通信を行う各種の電子機器に用いることが可能である。なお、本明細書において「光通信装置」とは、信号光の送信にかかる構成（発光素子等）と信号光の受信にかかる構成（受光素子等）の両方を含む装置のみならず、送信にかかる構成のみを備える装置（いわゆる光送信モジュール）や受信にかかる構成のみを備える装置（いわゆる光受信モジュール）を含む。
【００１５】
また、本発明は、上述した光モジュールを備える光電気混載集積回路でもあり、上述した光モジュールと信号光の伝送を担う光導波路とを備える回路基板でもある。かかる回路基板は「光電気混載基板」と称される場合もある。
【００１６】
また、本発明は、上述した光モジュールを備える電子機器でもある。より詳細には、本発明の電子機器は、上述した光モジュールそのものを備える場合の他に、当該光モジュールを含んでなる上述した光通信装置、光電気混載集積回路、回路基板のいずれかを備える場合も含む。ここで本明細書において「電子機器」とは、電子回路等を用いて一定の機能を実現する機器一般をいい、その構成には特に限定がないが、例えば、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（携帯型情報端末）、電子手帳など各種機器が挙げられる。本発明にかかる光モジュール、光通信装置、光電気混載集積回路あるいは回路基板は、これらの電子機器において機器内部での情報通信や外部機器等との間における情報通信に用いることが可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態の光モジュールの構成について説明する図である。同図に示す本実施形態の光モジュール１は、透明基板１０、共通配線層１２、誘電体層１４、信号線層１６、保護層１８、ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）２０、回路チップ２２、レンズ２４、充填材２６を含んで構成されている。共通配線層１２、誘電体層１４及び信号線層１６からなる多層配線によってマイクロストリップラインが構成されており、当該マイクロストリップラインによって、ＶＣＳＥＬ２０と回路チップ２２の相互間あるいはその他の図示しない回路要素との相互間における電気信号の送受がなされる。以下、各構成要素について詳述する。
【００１９】
透明基板１０は、ＶＣＳＥＬ２０からの出射光の波長に対して透過性を有し、光モジュール１を構成する各要素を支持する。例えば、ＶＣＳＥＬ２０からの出射光の波長が可視光またはそれに近い値（例えば８５０ｎｍなど）の場合には、ガラスやプラスチックなどの材料により透明基板１０を構成するとよい。また、出射光の波長が比較的に長波長（例え１３００ｎｍ〜１５００ｎｍなど）の場合には、シリコンやゲルマニウムなどの材料により透明基板１０を構成することもできる。
【００２０】
共通配線層１２は、接地電位に接続されるものであり、例えば銅などからなる導電体膜を用いて、透明基板１０の一方面（上面）に形成されている。この共通配線層１２は、リアクタンスを極力減らすために透明基板１０の一方面の略全体に渡って形成することが好適である。
【００２１】
誘電体層１４は、共通配線層１２と信号線層１６の相互間を離間させてマイクロストリップ構造を構成するためのものであり、共通配線層１２の上面に形成されている。この誘電体層１４は、例えば、ポリイミド等の誘電体（絶縁体）を用いて数十μｍ程度の厚みに形成することが好適である。
【００２２】
信号線層１６は、銅などからなる導電体膜を用いて誘電体層１４の上面に形成されており、所定形状にパターニングがなされている。上述したように、この信号線層１６と、共通配線層１２及び誘電体層１４を含んでマイクロストリップラインが構成されている。当該マイクロストリップラインの特性インピーダンスは、共通配線層１２及び信号線層１６の形状（線幅、線の厚み等）や材質、誘電体層１４の誘電率、共通配線層１２と信号線層１６との間隔などの各パラメータを適宜設定することにより所望値に調整可能である。
【００２３】
ここで、共通配線層１２、誘電体層１４及び信号線層１６からなる多層配線（マイクロストリップライン）の形成方法について概略的に説明する。まず、透明基板１０上に電鋳、リフトオフ又はフォトリソグラフィ等の方法によって共通配線層１２を形成する。次に、この共通配線層１２上に、感光性ポリイミド層をスピンコートやシート貼り付け等の方法によって形成し、更に電極等を露出させるためにパターニングを行う。これにより誘電体層１４が形成される。その後、上述した共通配線層１２の形成方法と同様にして信号線層１６を形成する。なお、必要に応じて、上記各工程を更に複数回繰り返して、より多くの配線層を含む多層配線を形成することも可能である。
【００２４】
保護層１８は、信号線層１６を腐食や破損などから保護するためのものであり、信号線層１６の上面の略全面を覆うように形成されている。当該保護層１８は、例えば、ソルダリングレジスト等を塗布することによって形成することが好適である。
【００２５】
ＶＣＳＥＬ２０は、回路チップ２２から与えられる駆動信号に応じて信号光を出射する面発光型の発光素子であり、透明基板１０の一方面上の所定位置に、発光面を透明基板１０側に向けて配置されている。このＶＣＳＥＬ２０は、上述した共通配線層１２、誘電体層１４及び信号線層１６からなるマイクロストリップラインに設けられた開口部２１内にその発光面が配置されており、当該開口部２１及び透明基板１０を通して光信号が出射されるようになっている。なお、本実施形態では、面発光型の発光素子であるＶＣＳＥＬを用いているが、他の発光素子（例えば、端面発光型の発光素子など）を用いてもよい。
【００２６】
回路チップ２２は、ＶＣＳＥＬ２０を駆動するためのドライバなどを含むものであり、透明基板１０上の所定位置に配置されている。この回路チップ２２は、透明基板１０上に構成されたマイクロストリップラインを介してＶＣＳＥＬ２０と接続されており、更に、必要に応じて図示しない他の回路素子、回路チップ、外部装置などと接続される。
【００２７】
レンズ２４は、透明基板１０の他方面側であってＶＣＳＥＬ２０の発光面と対向する位置に配置されている。このように、透明基板１０を挟んでＶＣＳＥＬ２０とレンズ２４を対向配置させているので、当該透明基板１０の厚みによって両者間に必要な光学的距離を確保することが可能となり、レンズ２４を自由空間中に独立に配置する場合に比べて位置精度の確保が容易となる。なお、必要に応じて、レンズ２４の代わりに他の光学要素（例えば、回折格子等）を設けるようにしてもよい。
【００２８】
充填材２６は、ＶＣＳＥＬ２０の近傍の気密性や接着性などを高めるために当該ＶＣＳＥＬ２０の近傍に充填されるものであり、アンダーフィル剤と呼ばれる場合もある。この充填剤２６としては、透明基板１０と同等の屈折率を有するものを用いる。これにより、透明基板１０の表面での反射による戻り光を抑制することができる。
【００２９】
このように、第１の実施形態の光モジュール１は、ＶＣＳＥＬ２０の発光面と透明基板１０の一方面とが向き合う構造となるので、簡易な構造によりＶＣＳＥＬ２０の発光面を保護することが可能となる。また、マイクロストリップラインを用いているので高周波信号への対応が可能となる。したがって、光通信に用いて好適な光モジュールを実現することが可能となる。また、本実施形態では、透明基板１０の一方面上に共通配線層１２、誘電体層１４及び信号線層１６を積層してマイクロストリップラインを構成し、信号線層１６の上側にＶＣＳＥＬ２０を配置しているので、透明基板１０の他方面側とＶＣＳＥＬ２０との間に、接地電位に接続される共通配線層１２が介在することになり、透明基板１０の他方面側からＶＣＳＥＬ２０や回路チップ２２へノイズが入ることを抑制することが容易になるという作用効果も奏する。
【００３０】
なお、上述した実施形態及び後述する各実施形態において、ＶＣＳＥＬ２０に代えて、受光した光の強度に応じて電気信号を発生する受光素子（フォトディテクタ）を実装することも可能である。この場合には、上述した回路チップ２２に、受光素子から出力される電流信号を電圧信号に変換する電流／電圧変換アンプ（あるいはトランスインピーダンスアンプ）などを含ませるようにし、当該回路チップ２２と受光素子の相互間における電気信号の送受をマイクロストリップラインによって行うようにすることにより、動作速度の高速化に適する光モジュールを構成することが可能となる。更には、発光素子と受光素子のいずれも含むようにして光モジュールを構成してもよい。
【００３１】
＜第２の実施形態＞
図２は、第２の実施形態の光モジュールの構成について説明する図である。同図に示す光モジュール１ａは、基本的には上述した第１の実施形態の光モジュール１と同様な構成を備えており、マイクロストリップラインを構成する各配線層及び誘電体層の積層状態が異なっている。以下、主に第１の実施形態との相違点に着目して第２の実施形態の光モジュール１ａの構成を説明する。
【００３２】
図２に示すように、光モジュール１ａは、透明基板１０の上面に信号線層１６ａが形成され、当該信号線層１６ａの上層に誘電体層１４ａ及び共通配線層１２ａが形成されている。これらの共通配線層１２ａ、誘電体層１４ａ及び信号線層１６ａを含んでマイクロストリップラインが構成されている。なお、共通配線層１２ａ、誘電体層１４ａ及び信号線層１６ａのそれぞれに好適な材質や形状等については、第１の実施形態における共通配線層１２、誘電体層１４及び信号線層１６のそれぞれと同様である。
【００３３】
このように、第２の実施形態の光モジュール１ａによっても、簡易な構造によりＶＣＳＥＬ２０の発光面を保護することが可能であり、高周波信号への対応にも優れ、光通信に用いて好適な光モジュールを実現することが可能となる。また、本実施形態では、透明基板１０の一方面上に信号線層１６ａ、誘電体層１４ａ及び共通配線層１２ａを積層してマイクロストリップ伝送路を構成しており、信号線層１６ａの上側にＶＣＳＥＬ２０を配置しているので、ＶＣＳＥＬ２０の下側の領域に積層される層が少なくなることにより当該領域の高さ（厚さ）の制御がしやすく、ＶＣＳＥＬ２０の発光面の位置精度（特に水平位置の精度）を確保することが容易になるという作用効果も奏する。
【００３４】
＜第３の実施形態＞
次に、上述した実施形態において説明した光モジュールを用いて構成される光トランシーバ（光通信装置）について説明する。本発明にかかる光モジュールは、光トランシーバにおける外部機器とのインタフェースを担うフロントエンド部として用いることができる。
【００３５】
図３は、第３の実施形態の光トランシーバの構成例について説明する図である。同図に示す光トランシーバ１００は、光ファイバを介して情報通信を行うものであり、上述した実施形態にかかる光モジュール１（又は光モジュール１ａ）と、スリーブ１０２、回路基板１０４及び各構成要素を支持する筐体１０６を含んで構成されている。
【００３６】
スリーブ１０２は、光ファイバの一端側が接続され、当該光ファイバと本例の光トランシーバ１００の相互間の光学的結合を図るものであり、光モジュール１の他方面（裏面側）に配置されている。このスリーブ１０２は、光モジュール１の一方面上に実装されたＶＣＳＥＬ２０から出射される信号光を集光して図示しない光ファイバに導くレンズ１０８を内蔵している。回路基板１０４は、情報通信にかかる信号処理を行うための電気回路を含むものであり、フレキシブル配線基板１１０を介して光モジュール１と電気的に接続されている。
【００３７】
このように、本発明にかかる光モジュールを用いることにより、動作速度の高速化に適した光トランシーバを得ることが可能となる。このような本発明にかかる光トランシーバは、例えば、パーソナルコンピュータやいわゆるＰＤＡ（携帯型情報端末装置）など、光を伝送媒体として外部装置等との間の情報通信を行う各種の電子機器に用いることが可能である。
【００３８】
＜第４の実施形態＞
次に、上述した実施形態において説明した光モジュールを用いて構成される光電気混載集積回路と、当該光電気混載集積回路を用いて構成される回路基板について説明する。
【００３９】
図４は、光電気混載集積回路及び当該光電気混載集積回路を含む回路基板の構成例について説明する図である。同図に示す回路基板２００は、上述した実施形態にかかる光モジュール１（又は光モジュール１ａ）を含む光電気混載集積回路２０２と、光電気混載基板２０４を含んで構成されている。
【００４０】
光電気混載集積回路２０２は、光モジュール１と信号処理チップ２０６を含んでおり、両者をプラスチック等によって一体にモールドした構造となっている。光モジュール１と信号処理チップ２０６の間はワイヤボンディングによって電気的に接続されている。光モジュール１は、発光素子からの出射光の出射方向が光電気混載基板２０４に向かうように配置されている。
【００４１】
光電気混載基板２０４は、上部に配線膜２０８が設けられ、内部（中間層）に光導波路２１０が設けられている。配線膜２０８は、光電気混載集積回路２０２と電気的に接続されており、当該配線膜２０８を介して光電気混載集積回路２０２と図示しない他の回路チップ等との相互間における電気信号の授受がなされる。
【００４２】
光導波路２１０は、光電気混載集積回路２０２に含まれる発光素子から出射される光信号を伝搬させて図示しない他の装置、モジュール等へ送る機能を担う。この光導波路２１０は、端部に反射ミラー２１２が形成されており、発光素子からの光信号は当該反射ミラー２１２によって進行方向が略９０度変換され、光導波路２０８内に入射し、進行する。
【００４３】
このような本実施形態にかかる光電気混載集積回路２０２及び回路基板２００は、例えばパーソナルコンピュータなど各種の電子機器に適用し、機器内での情報通信や外部機器等との間における情報通信に用いることが可能である。
【００４４】
なお、本発明は上述した各実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した図１又は図２に示す光モジュールでは、光素子とマイクロストリップ伝送路とが共に透明基板の一方面に配置されていたが、光素子を一方面に配置し、マイクロストリップ伝送路を他方面に配置してもよい。この場合には、マイクロストリップ伝送路に設けられる開口部と光素子の発光面又は受光面とが向かい合うように位置合わせして配置するとともに、例えば透明基板にスルーホールを形成し、当該スルーホールに充填される導電体（プラグ）を介して光素子とマイクロストリップ伝送路の接続を図るようにすればよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の光モジュールの構成について説明する図である。
【図２】第２の実施形態の光モジュールの構成について説明する図である。
【図３】光トランシーバの構成例について説明する図である。
【図４】光電気混載集積回路及び当該光電気混載集積回路を含む回路基板の構成例について説明する図である。
【符号の説明】
１…光モジュール、 １０…透明基板、 １２…共通配線層、 １４…誘電体層、 １６…信号線層、 １８…保護層、 ２０…ＶＣＳＥＬ（面発光レーザ）、 ２２…回路チップ、 １００…光通信装置（光トランシーバ）、 ２００…回路基板、 ２０２…光電気混載集積回路

Claims (11)

1. 供給される電気信号に応じて信号光を出射し又は供給される信号光の強度に応じて電気信号を発生する光素子と、
   前記光素子に対する電気信号の伝送を担う多層配線と、
   前記光素子において発光又は受光される光の波長に対して光透過性を有し、前記光素子及び前記多層配線を支持する透明基板と、を含み、
   前記光素子は前記多層配線に設けられた開口部内にその発光面又は受光面が配置されており、当該開口部及び前記透明基板を通して光信号の入射又は出射がなされる、光モジュール。
2. 前記多層配線はマイクロストリップ伝送路である、請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記光素子と前記多層配線は共に前記透明基板の一方面側に配置される、請求項１又は２に記載の光モジュール。
4. 前記多層配線は、前記透明基板の一方面上に共通配線層、誘電体層及び信号線層を積層して構成されており、
   前記光素子は、前記信号線層の上側に配置される、請求項３に記載の光モジュール。
5. 前記多層配線は、前記透明基板の一方面上に信号線層、誘電体層及び共通配線層を積層して構成されており、
   前記光素子は、前記信号線層の上側に配置される、請求項３に記載の光モジュール。
6. 前記透明基板の他方面側であって前記光素子の発光面又は受光面と対向する位置に配置される光学要素を更に含む、請求項２乃至５のいずれかに記載の光モジュール。
7. 前記光学要素は、少なくともレンズ、回折格子のいずれかを含む、請求項６に記載の光モジュール。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の光モジュールを備える光通信装置。
9. 請求項１乃至７のいずれかに記載の光モジュールを備える光電気混載集積回路。
10. 請求項１乃至７のいずれかに記載の光モジュールと、
    信号光の伝送を担う光導波路と、
    を備える回路基板。
11. 請求項１乃至７のいずれかに記載の光モジュールを備える電子機器。

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