光電気複合モジュール
【課題】 発光素子と光モニタ素子等の光結合系の結合損失を低く抑えると同時に、高速信号の損失や反射の影響による劣化を抑えて動作することが可能な光電気複合モジュールを提供する。
【解決手段】 光信号を発生する導波路型光素子（１）と、前記光信号を伝送する光導波路を内蔵した絶縁層（７）と、前記導波路型光素子（７）に電流増幅信号を供給する駆動ＬＳＩ（３）とを基板（４１）に有している。前記導波路型光素子（１）と前記駆動ＬＳＩ（３）とを立体構造の線路で接続して、前記導波路型光素子と前記駆動ＬＳＩとを接近させる。
【解決手段】 光信号を発生する導波路型光素子（１）と、前記光信号を伝送する光導波路を内蔵した絶縁層（７）と、前記導波路型光素子（７）に電流増幅信号を供給する駆動ＬＳＩ（３）とを基板（４１）に有している。前記導波路型光素子（１）と前記駆動ＬＳＩ（３）とを立体構造の線路で接続して、前記導波路型光素子と前記駆動ＬＳＩとを接近させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電気複合モジュールに関し、特に発光素子やドライバＩＣなどが実装された高速の光電気複合モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地域内ネットワーク、都市間ネットワーク等に代表される光通信、ならびにサーバ・ルータの装置内・装置間での光リンクなどで、高速、低コスト、および小型の光トランシーバの実現が期待されている。また、１０Ｇｂｉｔ／ｓイーサネット（登録商標）の標準化が進み、光トランシーバの小型化、特に装置のインターフェイスの高密度化が可能となるように、光入出力部の間口が狭くなるような構成が求められている。光トランシーバは光送信部と光受信部から構成されているが、そのうち光送信部のモジュールは、駆動ＬＳＩならびに半導体レーザなどの発光素子、フォトダイオードなどの光モニタ素子を有している。
【０００３】
これまでこの種の表面実装型光電気複合モジュールは、光結合の損失を増加させないという観点から、光モニタ素子、発光素子、レンズ、光ファイバといった光結合系を形成し、その外側に駆動ＬＳＩが配置されていた。図７に従来の光電気複合モジュールの模式図を示す。図７（ａ）は概略断面図、図７（ｂ）は概略上面図である。放熱基板１４１上に発光素子１０１が搭載され、発光素子１０１の出力側にレンズ１５２を、反対側に光モニタ素子１０２を近接配置し、セラミックパッケージ上に形成された配線基板１４３上に搭載された駆動ＬＳＩ１０３が光モニタ素子１０２のさらに後方に配置されていた。
【０００４】
一方、高速化の観点から、駆動ＬＳＩと発光素子とを近接配置した構造を有する光電気複合モジュールも開示されている。一つの開示例では、発光素子と駆動ＬＳＩとを近接させ、駆動ＬＳＩは配線基板上の高速線路を介して外部と接続し、電気接続のためのワイヤを短くした構造としている。そして光モニタ素子は配線基板上の搭載部材に配置してあり、発光素子の出力側の反対側から出射したモニタ光は、駆動ＬＳＩの上を通過して光モニタ素子に結合されている（例えば特許文献１参照。）。
【０００５】
また、光モニタ素子と発光ダイオード（ＬＤ）駆動用ＩＣのいずれかを発光素子に近接配置する技術も開示されている（例えば特許文献２参照。）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２５２４０７号公報（４−６頁、図２、図３）
【特許文献２】特開２００３−２３２９６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、図７に示すように光結合系の最適配置を優先した場合、駆動ＬＳＩから発光素子までのワイヤの距離が長くなるため、１０Ｇｂｉｔ／ｓレベルの高速信号を損失や反射の影響なく伝送することは難しかった。
【０００８】
また、特許文献１に示すように高速動作を優先した場合、発光素子と駆動ＬＳＩとを近接させる必要があるため、逆に発光素子と光モニタ素子との距離が広がってしまう。発光素子からのモニタ光にはビーム広がりがあるため、距離を離すと、発光素子と光モニタ素子との間の結合損失が増加し、モニタ光のパワーレベルが光モニタ素子の受信許容範囲を下回るという問題があった。
【０００９】
このように従来技術においては、光結合系の損失増加抑制のための発光素子、光モニタ素子、レンズ等の最適配置と、高速動作のための駆動ＬＳＩと発光素子との近接配置が両立できないという課題があった。
【００１０】
さらに、特許文献２においては、光モニタ素子とＬＤ駆動用ＩＣのいずれかを発光素子に近接配置させる構造が示されているが、両者を同時に近接配置することは難しく、結局上述の問題を根本的に解決することは困難である。また、絶縁層の上に導波層が形成されているが、導波路上の電気配線はリードとの接続のみであり、１０Ｇｂｉｔ／ｓレベルの高速伝送を安定して実現するために必要なグランド電極の配置が困難である。さらに、導波路上のプリアンプは１Ｇｂｉｔ／ｓレベルが伝送可能な比較的長めのワイヤを想定してつながれており、１ｍｍ以下が必要とされる高速伝送の実現には難点がある。
【００１１】
本発明の目的は、上記の事情に鑑み、光結合系の損失増加抑制を可能とする最適配置と、高速動作を可能とする駆動ＬＳＩと発光素子との近接配置を両立する光電気複合モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するため、本発明に係る光電気複合モジュールは、光信号を発生する導波路型光素子と、該導波路型光素子の光信号出力面及び該出力面の反対側の面の少なくとも一方と対向して、該放熱基板上に設置され、該導波路型光素子で発生した前記光信号を伝達する光導波路を内蔵する絶縁層と、該絶縁層の上面に設けられ、前記導波路型光素子に電流増幅信号を供給する駆動ＬＳＩと、前記駆動ＬＳＩと前記導波路型光素子とを前記絶縁層の厚み方向に結ぶ駆動用高速信号線路とを有することを特徴とするものである。
【００１３】
これによって、電気配線と光配線とを立体的に構成することが可能となり、光導波路、発光素子、光モニタ素子を結合するとともに、発光素子と駆動ＬＳＩとの近接配置が可能となり、光結合系の結合損失を低く抑えるとともに、１０Ｇｂiｔ／ｓレベルの高速信号を、損失や反射の影響による劣化を抑えて伝送することが可能になる。
【００１４】
また前記駆動ＬＳＩと接触して前記絶縁層の上面を延び、前記駆動ＬＳＩに電気入力信号を供給する電気入力用高速伝送線路をさらに有してもよい。
【００１５】
また前記電気入力用高速伝送線路は、前記駆動ＬＳＩと接触して前記絶縁層の上面を延びる上部グランド電極と、前記導波路型光素子が設置された放熱基板の上面を延びる下部グランド電極と、該上部グランド電極と該下部グランド電極とを接続するグランド電極接続部とを有し、前記駆動ＬＳＩを前記放熱基板に接続して該駆動ＬＳＩのグランドを確保するグランド部をさらに有する構成としてもよいものである。
【００１６】
また前記グランド電極接続部は該絶縁層内を前記光導波路と干渉しない位置で上下方向に延びるビアとしても良いものである。
【００１７】
また前記導波路型光素子は発光素子であり、前記放熱基板上に設置され、該発光素子の発光をモニタする光モニタ素子と、前記駆動ＬＳＩと前記発光素子とを前記絶縁層の厚み方向に接続し、前記光モニタ素子のモニタ信号を前記駆動ＬＳＩにフィードバックするＤＣ線路とをさらに有する構成とすることが可能である。
【００１８】
また前記絶縁層は上面に前記上部グランド電極を含むコプレーナ線路を有する構成としてもよい。また前記絶縁層はポリマ樹脂材料から形成するようにしてもよい。
【００１９】
また前記導波路型光素子が設置された放熱基板上のガイド機構に設置され、前記光導波路と接続して光入出力を行う光ファイバをさらに有する構成としてもよい。
【００２０】
また複数の前記光導波路がアレイ状に形成され、該光導波路の各々に前記導波路型光素子が接続している構成としてもよいものである。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように本発明によれば、線路が立体構造であるため、信号の授受を行うための距離が極めて短くすることができるとともに、光結合系の各種素子を接近して配置することができるため、光結合系の結合損失を低く抑えることができる。したがって、１０Ｇｂiｔ／ｓレベルの高速信号を、損失や反射の影響による劣化を抑えて伝送することが可能になる。
【００２２】
また電気配線と光配線を立体的な構成としているため、光結合系の近接配置と発光素子と駆動ＬＳＩの近接配置とを独立して最適化でき、モジュールの小型化が可能になる。
【００２３】
また、光素子と電気素子の実装を同一の基板で行えるため、部品数と工程数を減らし実装コストを抑制することができる。
【００２４】
また光素子を放熱基板真上に設置し、絶縁層の状Ｂにある電気阻止も樹脂層上部の上部グランド電極、ビア、下側の下部グランド電極を介して放熱基板に達する放熱パスにつながっているため、光素子・電気素子の放熱性にも問題ない。
【００２５】
さらに、プラットフォーム内で作り込まれた電極パッドと光導波路等を基準として光結合をお香ことができるため、光結合系の無調芯実装が達成されるというメリットもある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
次に、本発明に係る光電気複合モジュールの実施形態について図面を参照して詳細に説明する。本発明の光電気複合モジュールは、例えば、地域内ネットワーク、都市間ネットワーク等に代表される光通信、ならびにサーバ・ルータ間での光リンク等に使用することができる。
【００２７】
図１（ａ）は本発明に係る光電気複合モジュールの構成を示す概略断面図である。図１（ｂ）は本発明に係る光電気複合モジュールを構成する部品の配置を示し、配線関係を省略した平面図である。図２は、駆動ＬＳＩを取り外して、配線関係を示す平面図である。本発明に係る光電気複合モジュール４ａは、放熱基板４１の上に絶縁層４２が積層され、前記絶縁層４２上に絶縁層７、導波路型光素子としての発光素子１、光モニタ素子２、駆動ＬＳＩ３等の各種の層や素子が設けられている。絶縁層４２の所定の位置には光ファイバ５１が配置され、この光ファイバ５１のコア５１ａの光軸に沿って前記絶縁層７，発光素子１，光モニタ素子２が配列されている。
【００２８】
前記発光素子１は端面発光型の素子であり、その前端面から光を前方（絶縁層７の光導波路７１側）に向けて出力する構造になっている。前記発光素子１は、光信号の出力部１ａを光ファイバ５１のコア５１ａの高さ位置に一致させて、絶縁層４２上に搭載されている。前記発光素子１は駆動ＬＳＩ３からの電流振幅信号を受けて、光信号を生成し、その光信号を出力部１ａの高さ位置から光ファイバ５１のコア５１ａに向けて出力する。前記発光素子１の層構造および内部構造は光導波路の結合に適した構造となっている。
【００２９】
絶縁層７は光ファイバ５１と発光素子１との間に配置され、絶縁層７と発光素子１と光ファイバ５１とを接近させている。絶縁層７は光導波路７１を内蔵しており、この光導波路７１を発光素子１の出力部１ａの高さ位置と光ファイバ５１のコア５１ａの高さ位置に一致させて絶縁層４２上に搭載されている。したがって、発光素子１から出力された光信号は、発光素子１ａの出力部１ａから絶縁層７の光導波路７１に直に入力し、絶縁層７の光導波路７１から光ファイバ５１のコア５１ａに高い効率で入力する。絶縁層７の内部構造は、光導波に適した屈折率構造に形成され、その屈折率構造の内部に光導波路７１が形成されている。絶縁層７は高速伝送線路（後述）を実現するために、低誘電率、低誘電損失等の特性を有している。絶縁層７の材料としては、たとえばポリマ樹脂材料が挙げられる。絶縁層７の材料としてポリマ樹脂を選ぶことにより、電気回路としての高速性と光の透過性を兼ね備えることができるので、絶縁層７として好適である。すなわち、絶縁層７の材料として厚膜のポリマ樹脂を用いることにより寄生容量の低減が図れ、低誘電率、低誘電損失のポリマ樹脂を用いれば、高速伝送線路の作製精度を緩和させることができる。そして、信号波長に対して低損失な樹脂を用いれば、絶縁層７内に低誘電損失の光導波路７１を作製することができる。
【００３０】
駆動ＬＳＩ３は、絶縁層７の上面に形成される後述の高速信号線路６４上にバンプ６６でフリップチップ実装されている。駆動ＬＳＩ３は、外部からの電気信号（規定電圧の変調信号）に応じて発光素子１に、駆動に必要な電流振幅信号を与えて、発光素子１に光信号を生成させる。また、駆動ＬＳＩ３は光モニタ素子２からの電流値に応じて電流振幅を調整して、自動パワー制御（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ、ＡＰＣ）を行う機能を持つ。駆動ＬＳＩ３は電圧の変調信号に対する電流振幅の調整機能とＡＰＣ機能とをあわせ持った形態である必要はなく、別のＬＳＩがＡＰＣ機能を分担するように構成してもよい。
【００３１】
光モニタ素子２は、発光素子１の後方（光導波路７１と反対側の面）に接近して配置され、絶縁層４２を介して放熱基板４１に搭載されている。光モニタ素子２は導波路型または面型の光検知器で、発光素子１から後方に出力される光信号を受光面２ａで受光し、その受光した光信号（モニタ光）を電流に変換して、駆動ＬＳＩ３に送信する。なお図１（ｂ）に示す例では、光モニタ素子２は、発光素子１の真後ろに配置したが、これに限られるものではない。光モニタ素子２は、発光素子１から後方に出力される光信号のビームの広がりを考慮して、光信号の光軸に対して光受光面２ａを垂直に配置してもよい。更には、光モニタ素子２の受光面２ａを放熱基板４１と平行に配置して、ビームが広がった領域で光信号を受光するようにしてもよい。光モニタ素子２の側面からモニタ光が入射するようにしてもよい。これらのバリエーションは発光素子１と光モニタ素子２を近接しているため、可能となる。
【００３２】
これらの各素子は立体構造の線路によって相互に接続されている。以下に前記立体構造の線路を図１（ａ）及び図２に基づいて説明する。前記絶縁層７の上面には図２に示すように、駆動ＬＳＩ３の外形より大きくしたＬ型形状の上部グランド線路６８が形成されている。一方、絶縁層７の下面には下部グランド線路６５ａが上部グランド線路６８と同様なＬ型形状に形成されている。この場合、上部グランド線路６８は、後述する高速信号線路と交差する箇所に切り込み６８ａ，６８ｂ，６８ｃが形成され、前記高速信号線路との接触を回避しているが、下部グランド線路６５ａは、前記切り込み６８ａ，６８ｂ，６８ｃに相当する切込みが形成されずに連続したＬ型形状に形成されている。更に前記切り込み６８ａで分離された前記上部グランド線路６８は、前記絶縁層７を光導波路７１との干渉を避けて上下に貫通する複数のビア６７で接続されている。この構造により、上部グランド線路６８と下部グランド線路６５ａとは、安定したグランドを維持できる。後述するように、上部グランド線路６８は駆動ＬＳＩ３に接続される。この場合、上部グランド線路６８は複数本のビア６７を介して下部グランド線路６５ａに接続しているため、駆動ＬＳＩ３が発生する熱は、上部グランド線路６８，複数本のビア６７及び下部グランド線路６５ａを通して放熱基板４１に伝わり、放熱基板４１により放散される。
【００３３】
前記上部グランド線路６８に形成した２箇所の切り込み６８ａには、高速信号線路６３ａが前記上部グランド線路６８から隔離して形成されている。前記上部グランド線路６８の切り込み６８ｂには、高速信号線路６３ｂが前記上部グランド線路６８から隔離して形成されている。前記上部グランド線路６８の切り込み６８ｃには、ＤＣ線路６１が前記上部グランド線路６８から隔離して形成されている。前記高速信号線路６３ａ，６３ｂは、駆動ＬＳＩ３に駆動信号を供給するものであり、前記高速信号線路６３ｃは、駆動ＬＳＩ３から発光素子１に駆動信号を供給するものである。前記ＤＣ線路６１は、光モニタ素子２からの制御信号を駆動ＬＳＩ３に供給するためのものである。
【００３４】
以上のように立体構造の線路は、絶縁層７の上面に、高速信号線路６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６１とグランド線路６８とを同一面に含むコプレーナ線路構造を形成し、絶縁層４２上に高速信号線路６２，ＤＣ線路６０とグランド線路６５ａ,６５ｂ，６５ｃとを同一面に含むコプレーナ線路構造を形成し、これらのコプレーナ線路構造を絶縁層の厚み方向で接続して立体構造として形成している。
【００３５】
前記駆動ＬＳＩ３のグランド端子はバンプ６６により前記上部グランド線路６８に接続され、前記駆動ＬＳＩ３の信号入力端子はバンプ６６により前記高速信号線路６３ａ，６３ｂに接続される。前記駆動ＬＳＩ３の信号出力端子はバンプ６６により前記高速信号線路６３ｃに接続され、前記駆動ＬＳＩ３の制御信号入力端子はバンプ６６により前記ＤＣ線路６１に接続される。このようにして、前記駆動ＬＳＩ３は絶縁層７上に搭載される。
【００３６】
前記絶縁層４２のうち、前記発光素子１及び前記光モニタ素子２が搭載される領域には、高速信号線路６２，ＤＣ線路６０，グランド線路６５ｂ、６５ｃが形成されている。前記絶縁層７には、光導波路７１との干渉を避けて２本のビア６９，７５が上下に貫通して形成され、前記ビア６９は前記高速信号線路６２と前記高速信号線路６３ｃとを接続し、前記ビア７５は前記ＤＣ線路６１と前記ＤＣ線路６０とを接続している。
【００３７】
前記光モニタ素子２は、そのグランド端子が前記グランド線路６５ｃに、その制御信号出力端子が前記ＤＣ線路６０にそれぞれバンプにより接続されて放熱基板４１上に搭載されている。前記発光素子１は、そのグランド端子が前記グランド線路６５ｂに、その制御信号入力端子が前記高速信号線路６２にそれぞれバンプにより接続されて放熱基板４１上に搭載されている。駆動ＬＳＩには、図示しない電源供給用の電源線が接続されている。なお、高速信号線路６２，６３ａ，６３ｂ，６３ｃは、実用的には数Ｇｂｉｔ／ｓ〜数１０Ｇｂｉｔ／ｓの電気信号の伝送を可能にする特性を有している。
【００３８】
上述した実施例では、絶縁層の厚み方向に分けて形成したコプレーナ線路構造をビア６９で接続したが、コプレーナ線路構造を絶縁層の厚み方向で接続する構造はビア６９に限られるものではない。図３（ａ），（ｂ）に示すように、前記絶縁層７の切り立った端面に高速信号線路７６を形成して、この高速信号線路７６でコプレーナ線路構造の高速信号線路６３（６３ａ，６３ｂ，６３ｃ）と高速信号線路６２とを接続してもよい。また、前記絶縁層７の切り立った端面を斜めに形成して、この斜面に破線で示すように前記高速信号線路７６を形成してもよい。
【００３９】
図３（ｃ），（ｄ）に示すように、ワイヤ７７を用いて高速信号線路６３，６２を接続してもよい。この場合、信号を高速伝送するためには、ワイヤ７７の長さをできるだけ短くする必要がある。図３（ａ）〜（ｄ）に示す接続構造は、ＤＣ線路６０，６１を接続するのに採用してもよいものである。
【００４０】
上述した光電気複合モジュール４における線路は、絶縁層７及び絶縁層４２上に信号線路とグランド線路とを同一面に含むコプレーナ線路構造としたが、これに限られるものではない。それぞれのコプレーナ線路構造をなす前記信号線路及びグランド線路を絶縁層で挟み込んだマイクロストリップ線路構造とし、これらのマイクロストリップ構造の信号線路を絶縁層の厚み方向で接続した立体構造の線路としてよいものである。
【００４１】
次に、光電気複合モジュールの動作を説明する。外部から規定電圧の電気論理信号と電源電圧とが駆動ＬＳＩ３に供給されると、発光素子１を駆動するために必要な振幅を有し、外部電気信号に対応した電流が、駆動ＬＳＩ３から高速信号線路６３、ビア６９、高速信号線路６２を通って発光素子１に流れる。発光素子１は前記電流に基づいて光信号を出射する。発光素子１からの光信号は光導波路７１に入力し、光導波路７１を通して光ファイバ５１に伝送され、光ファイバ５１により必要な箇所に伝送される。
【００４２】
一方、光モニタ素子２は、発光素子１の反対側から出力された光をモニタ光として受光すると、モニタ光に応じた電流を出力する。この電流は、ＤＣ線路６０、ビア７５、ＤＣ線路６１を介して駆動ＬＳＩ３に流れる。駆動ＬＳＩ３は、光モニタ素子２からの電流に応じて電流振幅を調整して、ＡＰＣ機能を実現する。
【００４３】
図１に示す光電気複合モジュール４ａの具体例を示す。発光素子１として発振波長１３１０ｎｍの分布帰還形の端面発光レーザを用い、光モニタ素子２として面型のフォトダイオードを用い、これらの光素子を光電気複合モジュール４ａにフリップチップ実装した。光電気複合モジュール４ａの絶縁層７は光導波路の損失が０．５ｄＢ／ｃｍであり、比誘電率３、誘電正接０．００５のポリマ樹脂を用いた。高速伝送線路はインピーダンス抵抗が５０Ωになるように作製した。駆動ＬＳＩ３は、外部から１０Ｇｂｉｔ／ｓの差動入力の電気信号により発光素子１に供給される電流が制御される。駆動ＬＳＩ３と発光素子１との間の配線長は、近接化により１ｍｍ以下となり、アイ開口特性において劣化のない光出力波形が得られた。一方、発光素子１と光モニタ素子２の結合損は０．５ｄＢであり、このときの光モニタ素子２の出力電流は０．５ｍＡでＡＰＣ動作を確認した。
【００４４】
以上のように、本実施形態の光電気複合モジュール４ａは、光モニタ素子２、発光素子１、光導波路７１、光ファイバ５１等からなる光学系と、駆動ＬＳＩ３と発光素子１間との高速信号線路６２、６３（６３ａ，６３ｂ，６３ｃ）を立体的に配置することが可能である。このため、結合系を近接配置して結合損失を抑え、かつ駆動ＬＳＩ３と発光素子１とを近接配置することが可能となり、高速配線と光導波路の機能を同時に満たすことができ、損失や反射の影響による劣化を抑えながら、１０Ｇｂｉｔ／ｓレベルの高速信号を伝送することが可能になる。また、各素子の最近接が可能になることから光電気複合モジュールの小型化が可能となる。さらに、光素子・電気素子を同一基板上に搭載できるという素子搭載上のメリットもあり、実装が簡略化できるという効果がある。
【００４５】
次に本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。図４は光電気複合モジュールの概略上面図である。本実施形態は、電気入力を光電気複合モジュール４ｂの後部から入力する点が第１の実施形態と異なっている。すなわち、電気入力を行う高速信号線路６３ａが光電気複合モジュール４ｂの後部に設けられ、電気信号が高速信号線路６３ａに直接入力するようになっている。また、ＤＣ線路６０は第１の実施形態と異なり、光導波路７１の図面下側に設置されている。このような実施形態は、例えばプラグインタイプのモジュールに高速信号線路６３ａを差込み、この高速信号線路６３ａに電気信号を入力することとなるため、電気信号はコプレーナ線路構造の高速信号線路６３ａを介して伝送されることとなり、長いワイヤでボンディングしたような信号劣化をほとんど生じることなく、駆動ＬＳＩ３まで伝送される。このような実施形態は、たとえばプラグインタイプのモジュールに有効に適用できるというメリットを有している。
【００４６】
次に本発明の第３の実施形態について図面を参照して説明する。図５は光電気複合モジュールの構成図で、図５（ａ）は概略断面図、図５（ｂ）は概略上面図である。本実施形態の光電気複合モジュール４ｃは、駆動ＬＳＩ３を発光素子１の裏面側に配置した点が第１、２の実施形態と異なる。発光素子１の前方に、光導波路７１を内蔵した絶縁層７が配置され、光信号が光導波路７１及び光ファイバ５１を介して光出力される。発光素子１の後方には絶縁層７ｃが配置され、絶縁層７ｃの内部に光導波路７２が内蔵されている。光導波路７２の後方には光モニタ素子２が配置されている。また、駆動ＬＳＩ３が絶縁層７ｃの上部に配置されている。各素子の電気的接続や動作は第１の実施形態と同様である。第１の実施形態では発光素子１と光モニタ素子２は直結による光結合を行っていたが、本実施形態では光導波路７２を介して光結合させたことが特徴である。これにより光モニタ素子２の位置を離しても、光導波路７２で結合されているため、所望の位置で光モニタ素子２の配置が可能となる。この実施形態においては、高速信号線路６３ａは、第２の実施形態の場合と同様に光電気複合モジュール４ｃの後方に引き出しており、例えばプラグインタイプのモジュールに有効な構成になっている。
【００４７】
次に本発明の第４の実施形態について図面を参照して説明する。図６は光電気複合モジュールの概略上面図である。本実施形態に係る光電気複合モジュール４ｄは４チャンネルアレイ化されたモジュールである点が上記の各実施形態と異なる。発光素子１はチャンネル毎に計４つ設けられ、２チャンネル分を一体化した光モニタ素子２は２つ設けられ、各々２つの発光素子１の光をモニタする。各発光素子１と各光モニタ素子２との間には、第３の実施形態と同様の光導波路７２が４本設けられている。また、駆動ＬＳＩ３は図示するのを省略しているが、絶縁層７ｃ上に搭載され、１台の駆動ＬＳＩ３から高速信号線路６３ｃを介して４台の発光素子１に電流増幅信号を供給するようになっている。
【００４８】
このような光電気複合モジュール４ｄにあっては、光導波路と電気配線を独立に引き回せるので、一層の最適化が可能となる。本実施形態では、光モニタ素子２までの光導波路７２およびＤＣ線路６１の等長配線等の制約がないため、光導波路７２の片端を上下にずらして光モニタ素子２に結合させることが可能である。これによって駆動ＬＳＩ３からの高速信号線路６３ｃのピッチ変換が不要となり等長配線などの最適化が図れる。
【００４９】
なお、放熱の影響や隣接間のクロストークが無視できる場合は、複数の発光素子１を接近させてアレイ化してもよい。また、絶縁層７，７ｃは、光導波路７２を内蔵する部分と光導波路７１を内蔵する部分とが分離された構成になっているが、これらの絶縁層７，７ｃを一体構成としてもよい。上部グランド線路６８は第３の実施形態と同様、絶縁層７ｃ上に形成されていても構わない。さらに本実施形態では４チャンネルの場合を示したが、チャンネル数は任意の複数チャンネルとすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上説明したように本発明によれば、発光素子と光モニタ素子、及び発光素子と駆動ＬＳＩとを近接配置することを可能としているため、光結合系の結合損失を低く抑えるとともに、１０Ｇｂｉｔ／ｓレベルの高速信号を、損失や反射の影響による劣化を最小限に抑えて伝送することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光電気複合モジュールの概略断面図、図１（ｂ）は平面図である。
【図２】図１に示す光電気複合モジュールの各素子の間の接続の詳細を示す説明図である。
【図３】図１に示す光電気複合モジュールの発光素子と駆動ＬＳＩとの接続構造のバリエーションを示す図であって、図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ矢視図、図３（ｃ）は側面図、図３（ｄ）は図３（ｃ）のＢ−Ｂ矢視図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施形態に係る光電気複合モジュールの概略平面図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る光電気複合モジュールの概略断面図、図５（ｂ）は概略平面図である。
【図６】図６は、本発明の第４の実施形態に係る光電気複合モジュールの概略平面図である。
【図７】図７（ａ）は、従来の光電気複合モジュールの概略断面図、図７（ｂ）は概略平面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 発光素子
２ 光モニタ素子
３ 駆動ＬＳＩ
４ 光電気複合モジュール
４１ 放熱基板
４２ 絶縁層
４３ 配線基板
５１ 光ファイバ
６０、６１ ＤＣ線路
６２、６３、６４ 高速信号線路
６５ 下部グランド線路
６８ 上部グランド線路
６６ バンプ
６７、６９、７５ ビア
７ 絶縁層
７１、７２ 光導波路
【技術分野】
【０００１】
本発明は光電気複合モジュールに関し、特に発光素子やドライバＩＣなどが実装された高速の光電気複合モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地域内ネットワーク、都市間ネットワーク等に代表される光通信、ならびにサーバ・ルータの装置内・装置間での光リンクなどで、高速、低コスト、および小型の光トランシーバの実現が期待されている。また、１０Ｇｂｉｔ／ｓイーサネット（登録商標）の標準化が進み、光トランシーバの小型化、特に装置のインターフェイスの高密度化が可能となるように、光入出力部の間口が狭くなるような構成が求められている。光トランシーバは光送信部と光受信部から構成されているが、そのうち光送信部のモジュールは、駆動ＬＳＩならびに半導体レーザなどの発光素子、フォトダイオードなどの光モニタ素子を有している。
【０００３】
これまでこの種の表面実装型光電気複合モジュールは、光結合の損失を増加させないという観点から、光モニタ素子、発光素子、レンズ、光ファイバといった光結合系を形成し、その外側に駆動ＬＳＩが配置されていた。図７に従来の光電気複合モジュールの模式図を示す。図７（ａ）は概略断面図、図７（ｂ）は概略上面図である。放熱基板１４１上に発光素子１０１が搭載され、発光素子１０１の出力側にレンズ１５２を、反対側に光モニタ素子１０２を近接配置し、セラミックパッケージ上に形成された配線基板１４３上に搭載された駆動ＬＳＩ１０３が光モニタ素子１０２のさらに後方に配置されていた。
【０００４】
一方、高速化の観点から、駆動ＬＳＩと発光素子とを近接配置した構造を有する光電気複合モジュールも開示されている。一つの開示例では、発光素子と駆動ＬＳＩとを近接させ、駆動ＬＳＩは配線基板上の高速線路を介して外部と接続し、電気接続のためのワイヤを短くした構造としている。そして光モニタ素子は配線基板上の搭載部材に配置してあり、発光素子の出力側の反対側から出射したモニタ光は、駆動ＬＳＩの上を通過して光モニタ素子に結合されている（例えば特許文献１参照。）。
【０００５】
また、光モニタ素子と発光ダイオード（ＬＤ）駆動用ＩＣのいずれかを発光素子に近接配置する技術も開示されている（例えば特許文献２参照。）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２５２４０７号公報（４−６頁、図２、図３）
【特許文献２】特開２００３−２３２９６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、図７に示すように光結合系の最適配置を優先した場合、駆動ＬＳＩから発光素子までのワイヤの距離が長くなるため、１０Ｇｂｉｔ／ｓレベルの高速信号を損失や反射の影響なく伝送することは難しかった。
【０００８】
また、特許文献１に示すように高速動作を優先した場合、発光素子と駆動ＬＳＩとを近接させる必要があるため、逆に発光素子と光モニタ素子との距離が広がってしまう。発光素子からのモニタ光にはビーム広がりがあるため、距離を離すと、発光素子と光モニタ素子との間の結合損失が増加し、モニタ光のパワーレベルが光モニタ素子の受信許容範囲を下回るという問題があった。
【０００９】
このように従来技術においては、光結合系の損失増加抑制のための発光素子、光モニタ素子、レンズ等の最適配置と、高速動作のための駆動ＬＳＩと発光素子との近接配置が両立できないという課題があった。
【００１０】
さらに、特許文献２においては、光モニタ素子とＬＤ駆動用ＩＣのいずれかを発光素子に近接配置させる構造が示されているが、両者を同時に近接配置することは難しく、結局上述の問題を根本的に解決することは困難である。また、絶縁層の上に導波層が形成されているが、導波路上の電気配線はリードとの接続のみであり、１０Ｇｂｉｔ／ｓレベルの高速伝送を安定して実現するために必要なグランド電極の配置が困難である。さらに、導波路上のプリアンプは１Ｇｂｉｔ／ｓレベルが伝送可能な比較的長めのワイヤを想定してつながれており、１ｍｍ以下が必要とされる高速伝送の実現には難点がある。
【００１１】
本発明の目的は、上記の事情に鑑み、光結合系の損失増加抑制を可能とする最適配置と、高速動作を可能とする駆動ＬＳＩと発光素子との近接配置を両立する光電気複合モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記目的を達成するため、本発明に係る光電気複合モジュールは、光信号を発生する導波路型光素子と、該導波路型光素子の光信号出力面及び該出力面の反対側の面の少なくとも一方と対向して、該放熱基板上に設置され、該導波路型光素子で発生した前記光信号を伝達する光導波路を内蔵する絶縁層と、該絶縁層の上面に設けられ、前記導波路型光素子に電流増幅信号を供給する駆動ＬＳＩと、前記駆動ＬＳＩと前記導波路型光素子とを前記絶縁層の厚み方向に結ぶ駆動用高速信号線路とを有することを特徴とするものである。
【００１３】
これによって、電気配線と光配線とを立体的に構成することが可能となり、光導波路、発光素子、光モニタ素子を結合するとともに、発光素子と駆動ＬＳＩとの近接配置が可能となり、光結合系の結合損失を低く抑えるとともに、１０Ｇｂiｔ／ｓレベルの高速信号を、損失や反射の影響による劣化を抑えて伝送することが可能になる。
【００１４】
また前記駆動ＬＳＩと接触して前記絶縁層の上面を延び、前記駆動ＬＳＩに電気入力信号を供給する電気入力用高速伝送線路をさらに有してもよい。
【００１５】
また前記電気入力用高速伝送線路は、前記駆動ＬＳＩと接触して前記絶縁層の上面を延びる上部グランド電極と、前記導波路型光素子が設置された放熱基板の上面を延びる下部グランド電極と、該上部グランド電極と該下部グランド電極とを接続するグランド電極接続部とを有し、前記駆動ＬＳＩを前記放熱基板に接続して該駆動ＬＳＩのグランドを確保するグランド部をさらに有する構成としてもよいものである。
【００１６】
また前記グランド電極接続部は該絶縁層内を前記光導波路と干渉しない位置で上下方向に延びるビアとしても良いものである。
【００１７】
また前記導波路型光素子は発光素子であり、前記放熱基板上に設置され、該発光素子の発光をモニタする光モニタ素子と、前記駆動ＬＳＩと前記発光素子とを前記絶縁層の厚み方向に接続し、前記光モニタ素子のモニタ信号を前記駆動ＬＳＩにフィードバックするＤＣ線路とをさらに有する構成とすることが可能である。
【００１８】
また前記絶縁層は上面に前記上部グランド電極を含むコプレーナ線路を有する構成としてもよい。また前記絶縁層はポリマ樹脂材料から形成するようにしてもよい。
【００１９】
また前記導波路型光素子が設置された放熱基板上のガイド機構に設置され、前記光導波路と接続して光入出力を行う光ファイバをさらに有する構成としてもよい。
【００２０】
また複数の前記光導波路がアレイ状に形成され、該光導波路の各々に前記導波路型光素子が接続している構成としてもよいものである。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように本発明によれば、線路が立体構造であるため、信号の授受を行うための距離が極めて短くすることができるとともに、光結合系の各種素子を接近して配置することができるため、光結合系の結合損失を低く抑えることができる。したがって、１０Ｇｂiｔ／ｓレベルの高速信号を、損失や反射の影響による劣化を抑えて伝送することが可能になる。
【００２２】
また電気配線と光配線を立体的な構成としているため、光結合系の近接配置と発光素子と駆動ＬＳＩの近接配置とを独立して最適化でき、モジュールの小型化が可能になる。
【００２３】
また、光素子と電気素子の実装を同一の基板で行えるため、部品数と工程数を減らし実装コストを抑制することができる。
【００２４】
また光素子を放熱基板真上に設置し、絶縁層の状Ｂにある電気阻止も樹脂層上部の上部グランド電極、ビア、下側の下部グランド電極を介して放熱基板に達する放熱パスにつながっているため、光素子・電気素子の放熱性にも問題ない。
【００２５】
さらに、プラットフォーム内で作り込まれた電極パッドと光導波路等を基準として光結合をお香ことができるため、光結合系の無調芯実装が達成されるというメリットもある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
次に、本発明に係る光電気複合モジュールの実施形態について図面を参照して詳細に説明する。本発明の光電気複合モジュールは、例えば、地域内ネットワーク、都市間ネットワーク等に代表される光通信、ならびにサーバ・ルータ間での光リンク等に使用することができる。
【００２７】
図１（ａ）は本発明に係る光電気複合モジュールの構成を示す概略断面図である。図１（ｂ）は本発明に係る光電気複合モジュールを構成する部品の配置を示し、配線関係を省略した平面図である。図２は、駆動ＬＳＩを取り外して、配線関係を示す平面図である。本発明に係る光電気複合モジュール４ａは、放熱基板４１の上に絶縁層４２が積層され、前記絶縁層４２上に絶縁層７、導波路型光素子としての発光素子１、光モニタ素子２、駆動ＬＳＩ３等の各種の層や素子が設けられている。絶縁層４２の所定の位置には光ファイバ５１が配置され、この光ファイバ５１のコア５１ａの光軸に沿って前記絶縁層７，発光素子１，光モニタ素子２が配列されている。
【００２８】
前記発光素子１は端面発光型の素子であり、その前端面から光を前方（絶縁層７の光導波路７１側）に向けて出力する構造になっている。前記発光素子１は、光信号の出力部１ａを光ファイバ５１のコア５１ａの高さ位置に一致させて、絶縁層４２上に搭載されている。前記発光素子１は駆動ＬＳＩ３からの電流振幅信号を受けて、光信号を生成し、その光信号を出力部１ａの高さ位置から光ファイバ５１のコア５１ａに向けて出力する。前記発光素子１の層構造および内部構造は光導波路の結合に適した構造となっている。
【００２９】
絶縁層７は光ファイバ５１と発光素子１との間に配置され、絶縁層７と発光素子１と光ファイバ５１とを接近させている。絶縁層７は光導波路７１を内蔵しており、この光導波路７１を発光素子１の出力部１ａの高さ位置と光ファイバ５１のコア５１ａの高さ位置に一致させて絶縁層４２上に搭載されている。したがって、発光素子１から出力された光信号は、発光素子１ａの出力部１ａから絶縁層７の光導波路７１に直に入力し、絶縁層７の光導波路７１から光ファイバ５１のコア５１ａに高い効率で入力する。絶縁層７の内部構造は、光導波に適した屈折率構造に形成され、その屈折率構造の内部に光導波路７１が形成されている。絶縁層７は高速伝送線路（後述）を実現するために、低誘電率、低誘電損失等の特性を有している。絶縁層７の材料としては、たとえばポリマ樹脂材料が挙げられる。絶縁層７の材料としてポリマ樹脂を選ぶことにより、電気回路としての高速性と光の透過性を兼ね備えることができるので、絶縁層７として好適である。すなわち、絶縁層７の材料として厚膜のポリマ樹脂を用いることにより寄生容量の低減が図れ、低誘電率、低誘電損失のポリマ樹脂を用いれば、高速伝送線路の作製精度を緩和させることができる。そして、信号波長に対して低損失な樹脂を用いれば、絶縁層７内に低誘電損失の光導波路７１を作製することができる。
【００３０】
駆動ＬＳＩ３は、絶縁層７の上面に形成される後述の高速信号線路６４上にバンプ６６でフリップチップ実装されている。駆動ＬＳＩ３は、外部からの電気信号（規定電圧の変調信号）に応じて発光素子１に、駆動に必要な電流振幅信号を与えて、発光素子１に光信号を生成させる。また、駆動ＬＳＩ３は光モニタ素子２からの電流値に応じて電流振幅を調整して、自動パワー制御（Ａｕｔｏ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ、ＡＰＣ）を行う機能を持つ。駆動ＬＳＩ３は電圧の変調信号に対する電流振幅の調整機能とＡＰＣ機能とをあわせ持った形態である必要はなく、別のＬＳＩがＡＰＣ機能を分担するように構成してもよい。
【００３１】
光モニタ素子２は、発光素子１の後方（光導波路７１と反対側の面）に接近して配置され、絶縁層４２を介して放熱基板４１に搭載されている。光モニタ素子２は導波路型または面型の光検知器で、発光素子１から後方に出力される光信号を受光面２ａで受光し、その受光した光信号（モニタ光）を電流に変換して、駆動ＬＳＩ３に送信する。なお図１（ｂ）に示す例では、光モニタ素子２は、発光素子１の真後ろに配置したが、これに限られるものではない。光モニタ素子２は、発光素子１から後方に出力される光信号のビームの広がりを考慮して、光信号の光軸に対して光受光面２ａを垂直に配置してもよい。更には、光モニタ素子２の受光面２ａを放熱基板４１と平行に配置して、ビームが広がった領域で光信号を受光するようにしてもよい。光モニタ素子２の側面からモニタ光が入射するようにしてもよい。これらのバリエーションは発光素子１と光モニタ素子２を近接しているため、可能となる。
【００３２】
これらの各素子は立体構造の線路によって相互に接続されている。以下に前記立体構造の線路を図１（ａ）及び図２に基づいて説明する。前記絶縁層７の上面には図２に示すように、駆動ＬＳＩ３の外形より大きくしたＬ型形状の上部グランド線路６８が形成されている。一方、絶縁層７の下面には下部グランド線路６５ａが上部グランド線路６８と同様なＬ型形状に形成されている。この場合、上部グランド線路６８は、後述する高速信号線路と交差する箇所に切り込み６８ａ，６８ｂ，６８ｃが形成され、前記高速信号線路との接触を回避しているが、下部グランド線路６５ａは、前記切り込み６８ａ，６８ｂ，６８ｃに相当する切込みが形成されずに連続したＬ型形状に形成されている。更に前記切り込み６８ａで分離された前記上部グランド線路６８は、前記絶縁層７を光導波路７１との干渉を避けて上下に貫通する複数のビア６７で接続されている。この構造により、上部グランド線路６８と下部グランド線路６５ａとは、安定したグランドを維持できる。後述するように、上部グランド線路６８は駆動ＬＳＩ３に接続される。この場合、上部グランド線路６８は複数本のビア６７を介して下部グランド線路６５ａに接続しているため、駆動ＬＳＩ３が発生する熱は、上部グランド線路６８，複数本のビア６７及び下部グランド線路６５ａを通して放熱基板４１に伝わり、放熱基板４１により放散される。
【００３３】
前記上部グランド線路６８に形成した２箇所の切り込み６８ａには、高速信号線路６３ａが前記上部グランド線路６８から隔離して形成されている。前記上部グランド線路６８の切り込み６８ｂには、高速信号線路６３ｂが前記上部グランド線路６８から隔離して形成されている。前記上部グランド線路６８の切り込み６８ｃには、ＤＣ線路６１が前記上部グランド線路６８から隔離して形成されている。前記高速信号線路６３ａ，６３ｂは、駆動ＬＳＩ３に駆動信号を供給するものであり、前記高速信号線路６３ｃは、駆動ＬＳＩ３から発光素子１に駆動信号を供給するものである。前記ＤＣ線路６１は、光モニタ素子２からの制御信号を駆動ＬＳＩ３に供給するためのものである。
【００３４】
以上のように立体構造の線路は、絶縁層７の上面に、高速信号線路６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６１とグランド線路６８とを同一面に含むコプレーナ線路構造を形成し、絶縁層４２上に高速信号線路６２，ＤＣ線路６０とグランド線路６５ａ,６５ｂ，６５ｃとを同一面に含むコプレーナ線路構造を形成し、これらのコプレーナ線路構造を絶縁層の厚み方向で接続して立体構造として形成している。
【００３５】
前記駆動ＬＳＩ３のグランド端子はバンプ６６により前記上部グランド線路６８に接続され、前記駆動ＬＳＩ３の信号入力端子はバンプ６６により前記高速信号線路６３ａ，６３ｂに接続される。前記駆動ＬＳＩ３の信号出力端子はバンプ６６により前記高速信号線路６３ｃに接続され、前記駆動ＬＳＩ３の制御信号入力端子はバンプ６６により前記ＤＣ線路６１に接続される。このようにして、前記駆動ＬＳＩ３は絶縁層７上に搭載される。
【００３６】
前記絶縁層４２のうち、前記発光素子１及び前記光モニタ素子２が搭載される領域には、高速信号線路６２，ＤＣ線路６０，グランド線路６５ｂ、６５ｃが形成されている。前記絶縁層７には、光導波路７１との干渉を避けて２本のビア６９，７５が上下に貫通して形成され、前記ビア６９は前記高速信号線路６２と前記高速信号線路６３ｃとを接続し、前記ビア７５は前記ＤＣ線路６１と前記ＤＣ線路６０とを接続している。
【００３７】
前記光モニタ素子２は、そのグランド端子が前記グランド線路６５ｃに、その制御信号出力端子が前記ＤＣ線路６０にそれぞれバンプにより接続されて放熱基板４１上に搭載されている。前記発光素子１は、そのグランド端子が前記グランド線路６５ｂに、その制御信号入力端子が前記高速信号線路６２にそれぞれバンプにより接続されて放熱基板４１上に搭載されている。駆動ＬＳＩには、図示しない電源供給用の電源線が接続されている。なお、高速信号線路６２，６３ａ，６３ｂ，６３ｃは、実用的には数Ｇｂｉｔ／ｓ〜数１０Ｇｂｉｔ／ｓの電気信号の伝送を可能にする特性を有している。
【００３８】
上述した実施例では、絶縁層の厚み方向に分けて形成したコプレーナ線路構造をビア６９で接続したが、コプレーナ線路構造を絶縁層の厚み方向で接続する構造はビア６９に限られるものではない。図３（ａ），（ｂ）に示すように、前記絶縁層７の切り立った端面に高速信号線路７６を形成して、この高速信号線路７６でコプレーナ線路構造の高速信号線路６３（６３ａ，６３ｂ，６３ｃ）と高速信号線路６２とを接続してもよい。また、前記絶縁層７の切り立った端面を斜めに形成して、この斜面に破線で示すように前記高速信号線路７６を形成してもよい。
【００３９】
図３（ｃ），（ｄ）に示すように、ワイヤ７７を用いて高速信号線路６３，６２を接続してもよい。この場合、信号を高速伝送するためには、ワイヤ７７の長さをできるだけ短くする必要がある。図３（ａ）〜（ｄ）に示す接続構造は、ＤＣ線路６０，６１を接続するのに採用してもよいものである。
【００４０】
上述した光電気複合モジュール４における線路は、絶縁層７及び絶縁層４２上に信号線路とグランド線路とを同一面に含むコプレーナ線路構造としたが、これに限られるものではない。それぞれのコプレーナ線路構造をなす前記信号線路及びグランド線路を絶縁層で挟み込んだマイクロストリップ線路構造とし、これらのマイクロストリップ構造の信号線路を絶縁層の厚み方向で接続した立体構造の線路としてよいものである。
【００４１】
次に、光電気複合モジュールの動作を説明する。外部から規定電圧の電気論理信号と電源電圧とが駆動ＬＳＩ３に供給されると、発光素子１を駆動するために必要な振幅を有し、外部電気信号に対応した電流が、駆動ＬＳＩ３から高速信号線路６３、ビア６９、高速信号線路６２を通って発光素子１に流れる。発光素子１は前記電流に基づいて光信号を出射する。発光素子１からの光信号は光導波路７１に入力し、光導波路７１を通して光ファイバ５１に伝送され、光ファイバ５１により必要な箇所に伝送される。
【００４２】
一方、光モニタ素子２は、発光素子１の反対側から出力された光をモニタ光として受光すると、モニタ光に応じた電流を出力する。この電流は、ＤＣ線路６０、ビア７５、ＤＣ線路６１を介して駆動ＬＳＩ３に流れる。駆動ＬＳＩ３は、光モニタ素子２からの電流に応じて電流振幅を調整して、ＡＰＣ機能を実現する。
【００４３】
図１に示す光電気複合モジュール４ａの具体例を示す。発光素子１として発振波長１３１０ｎｍの分布帰還形の端面発光レーザを用い、光モニタ素子２として面型のフォトダイオードを用い、これらの光素子を光電気複合モジュール４ａにフリップチップ実装した。光電気複合モジュール４ａの絶縁層７は光導波路の損失が０．５ｄＢ／ｃｍであり、比誘電率３、誘電正接０．００５のポリマ樹脂を用いた。高速伝送線路はインピーダンス抵抗が５０Ωになるように作製した。駆動ＬＳＩ３は、外部から１０Ｇｂｉｔ／ｓの差動入力の電気信号により発光素子１に供給される電流が制御される。駆動ＬＳＩ３と発光素子１との間の配線長は、近接化により１ｍｍ以下となり、アイ開口特性において劣化のない光出力波形が得られた。一方、発光素子１と光モニタ素子２の結合損は０．５ｄＢであり、このときの光モニタ素子２の出力電流は０．５ｍＡでＡＰＣ動作を確認した。
【００４４】
以上のように、本実施形態の光電気複合モジュール４ａは、光モニタ素子２、発光素子１、光導波路７１、光ファイバ５１等からなる光学系と、駆動ＬＳＩ３と発光素子１間との高速信号線路６２、６３（６３ａ，６３ｂ，６３ｃ）を立体的に配置することが可能である。このため、結合系を近接配置して結合損失を抑え、かつ駆動ＬＳＩ３と発光素子１とを近接配置することが可能となり、高速配線と光導波路の機能を同時に満たすことができ、損失や反射の影響による劣化を抑えながら、１０Ｇｂｉｔ／ｓレベルの高速信号を伝送することが可能になる。また、各素子の最近接が可能になることから光電気複合モジュールの小型化が可能となる。さらに、光素子・電気素子を同一基板上に搭載できるという素子搭載上のメリットもあり、実装が簡略化できるという効果がある。
【００４５】
次に本発明の第２の実施形態について、図面を参照して説明する。図４は光電気複合モジュールの概略上面図である。本実施形態は、電気入力を光電気複合モジュール４ｂの後部から入力する点が第１の実施形態と異なっている。すなわち、電気入力を行う高速信号線路６３ａが光電気複合モジュール４ｂの後部に設けられ、電気信号が高速信号線路６３ａに直接入力するようになっている。また、ＤＣ線路６０は第１の実施形態と異なり、光導波路７１の図面下側に設置されている。このような実施形態は、例えばプラグインタイプのモジュールに高速信号線路６３ａを差込み、この高速信号線路６３ａに電気信号を入力することとなるため、電気信号はコプレーナ線路構造の高速信号線路６３ａを介して伝送されることとなり、長いワイヤでボンディングしたような信号劣化をほとんど生じることなく、駆動ＬＳＩ３まで伝送される。このような実施形態は、たとえばプラグインタイプのモジュールに有効に適用できるというメリットを有している。
【００４６】
次に本発明の第３の実施形態について図面を参照して説明する。図５は光電気複合モジュールの構成図で、図５（ａ）は概略断面図、図５（ｂ）は概略上面図である。本実施形態の光電気複合モジュール４ｃは、駆動ＬＳＩ３を発光素子１の裏面側に配置した点が第１、２の実施形態と異なる。発光素子１の前方に、光導波路７１を内蔵した絶縁層７が配置され、光信号が光導波路７１及び光ファイバ５１を介して光出力される。発光素子１の後方には絶縁層７ｃが配置され、絶縁層７ｃの内部に光導波路７２が内蔵されている。光導波路７２の後方には光モニタ素子２が配置されている。また、駆動ＬＳＩ３が絶縁層７ｃの上部に配置されている。各素子の電気的接続や動作は第１の実施形態と同様である。第１の実施形態では発光素子１と光モニタ素子２は直結による光結合を行っていたが、本実施形態では光導波路７２を介して光結合させたことが特徴である。これにより光モニタ素子２の位置を離しても、光導波路７２で結合されているため、所望の位置で光モニタ素子２の配置が可能となる。この実施形態においては、高速信号線路６３ａは、第２の実施形態の場合と同様に光電気複合モジュール４ｃの後方に引き出しており、例えばプラグインタイプのモジュールに有効な構成になっている。
【００４７】
次に本発明の第４の実施形態について図面を参照して説明する。図６は光電気複合モジュールの概略上面図である。本実施形態に係る光電気複合モジュール４ｄは４チャンネルアレイ化されたモジュールである点が上記の各実施形態と異なる。発光素子１はチャンネル毎に計４つ設けられ、２チャンネル分を一体化した光モニタ素子２は２つ設けられ、各々２つの発光素子１の光をモニタする。各発光素子１と各光モニタ素子２との間には、第３の実施形態と同様の光導波路７２が４本設けられている。また、駆動ＬＳＩ３は図示するのを省略しているが、絶縁層７ｃ上に搭載され、１台の駆動ＬＳＩ３から高速信号線路６３ｃを介して４台の発光素子１に電流増幅信号を供給するようになっている。
【００４８】
このような光電気複合モジュール４ｄにあっては、光導波路と電気配線を独立に引き回せるので、一層の最適化が可能となる。本実施形態では、光モニタ素子２までの光導波路７２およびＤＣ線路６１の等長配線等の制約がないため、光導波路７２の片端を上下にずらして光モニタ素子２に結合させることが可能である。これによって駆動ＬＳＩ３からの高速信号線路６３ｃのピッチ変換が不要となり等長配線などの最適化が図れる。
【００４９】
なお、放熱の影響や隣接間のクロストークが無視できる場合は、複数の発光素子１を接近させてアレイ化してもよい。また、絶縁層７，７ｃは、光導波路７２を内蔵する部分と光導波路７１を内蔵する部分とが分離された構成になっているが、これらの絶縁層７，７ｃを一体構成としてもよい。上部グランド線路６８は第３の実施形態と同様、絶縁層７ｃ上に形成されていても構わない。さらに本実施形態では４チャンネルの場合を示したが、チャンネル数は任意の複数チャンネルとすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
以上説明したように本発明によれば、発光素子と光モニタ素子、及び発光素子と駆動ＬＳＩとを近接配置することを可能としているため、光結合系の結合損失を低く抑えるとともに、１０Ｇｂｉｔ／ｓレベルの高速信号を、損失や反射の影響による劣化を最小限に抑えて伝送することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光電気複合モジュールの概略断面図、図１（ｂ）は平面図である。
【図２】図１に示す光電気複合モジュールの各素子の間の接続の詳細を示す説明図である。
【図３】図１に示す光電気複合モジュールの発光素子と駆動ＬＳＩとの接続構造のバリエーションを示す図であって、図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ−Ａ矢視図、図３（ｃ）は側面図、図３（ｄ）は図３（ｃ）のＢ−Ｂ矢視図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施形態に係る光電気複合モジュールの概略平面図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る光電気複合モジュールの概略断面図、図５（ｂ）は概略平面図である。
【図６】図６は、本発明の第４の実施形態に係る光電気複合モジュールの概略平面図である。
【図７】図７（ａ）は、従来の光電気複合モジュールの概略断面図、図７（ｂ）は概略平面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１ 発光素子
２ 光モニタ素子
３ 駆動ＬＳＩ
４ 光電気複合モジュール
４１ 放熱基板
４２ 絶縁層
４３ 配線基板
５１ 光ファイバ
６０、６１ ＤＣ線路
６２、６３、６４ 高速信号線路
６５ 下部グランド線路
６８ 上部グランド線路
６６ バンプ
６７、６９、７５ ビア
７ 絶縁層
７１、７２ 光導波路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号を発生する導波路型光素子と、
該導波路型光素子の光信号出力面及び該出力面の反対側の面の少なくとも一方と対向して、該放熱基板上に設置され、該導波路型光素子で発生した前記光信号を伝達する光導波路を内蔵する絶縁層と、
該絶縁層の上面に設けられ、前記導波路型光素子に電流増幅信号を供給する駆動ＬＳＩと、
前記駆動ＬＳＩと前記導波路型光素子とを前記絶縁層の厚み方向に結ぶ駆動用高速信号線路とを有する光電気複合モジュール。
【請求項２】
前記駆動ＬＳＩと接触して前記絶縁層の上面を延び、前記駆動ＬＳＩに電気入力信号を供給する電気入力用高速伝送線路をさらに有する、請求項１に記載の光電気複合モジュール。
【請求項３】
前記電気入力用高速伝送線路は前記駆動ＬＳＩと接触して前記絶縁層の上面を延びる上部グランド電極と、前記導波路型光素子が設置された放熱基板の上面を延びる下部グランド電極と、該上部グランド電極と該下部グランド電極とを接続するグランド電極接続部とを有し、前記駆動ＬＳＩを前記放熱基板に接続して該駆動ＬＳＩのグランドを確保するグランド部をさらに有する、請求項２に記載の光電気複合モジュール。
【請求項４】
前記グランド電極接続部は該絶縁層内を前記光導波路と干渉しない位置で上下方向に延びるビアである、請求項３に記載の光電気複合モジュール。
【請求項５】
前記導波路型光素子は発光素子であり、
前記放熱基板上に設置され、該発光素子の発光をモニタする光モニタ素子と、
前記駆動ＬＳＩと前記発光素子とを前記絶縁層の厚み方向に接続し、前記光モニタ素子のモニタ信号を前記駆動ＬＳＩにフィードバックするＤＣ線路とをさらに有する、請求項２に記載の光電気複合モジュール。
【請求項６】
前記絶縁層は上面に前記上部グランド電極を含むコプレーナ線路を有する、請求項２に記載の光電気複合モジュール。
【請求項７】
前記絶縁層はポリマ樹脂材料からなる、請求項１に記載の光電気複合モジュール。
【請求項８】
前記導波路型光素子が設置された放熱基板上のガイド機構に設置され、前記光導波路と接続して光入出力を行う光ファイバをさらに有する、請求項１に記載の光電気複合モジュール。
【請求項９】
複数の前記光導波路がアレイ状に形成され、該光導波路の各々に前記導波路型光素子が接続している、請求項１に記載の光電気複合モジュール。
【請求項１】
光信号を発生する導波路型光素子と、
該導波路型光素子の光信号出力面及び該出力面の反対側の面の少なくとも一方と対向して、該放熱基板上に設置され、該導波路型光素子で発生した前記光信号を伝達する光導波路を内蔵する絶縁層と、
該絶縁層の上面に設けられ、前記導波路型光素子に電流増幅信号を供給する駆動ＬＳＩと、
前記駆動ＬＳＩと前記導波路型光素子とを前記絶縁層の厚み方向に結ぶ駆動用高速信号線路とを有する光電気複合モジュール。
【請求項２】
前記駆動ＬＳＩと接触して前記絶縁層の上面を延び、前記駆動ＬＳＩに電気入力信号を供給する電気入力用高速伝送線路をさらに有する、請求項１に記載の光電気複合モジュール。
【請求項３】
前記電気入力用高速伝送線路は前記駆動ＬＳＩと接触して前記絶縁層の上面を延びる上部グランド電極と、前記導波路型光素子が設置された放熱基板の上面を延びる下部グランド電極と、該上部グランド電極と該下部グランド電極とを接続するグランド電極接続部とを有し、前記駆動ＬＳＩを前記放熱基板に接続して該駆動ＬＳＩのグランドを確保するグランド部をさらに有する、請求項２に記載の光電気複合モジュール。
【請求項４】
前記グランド電極接続部は該絶縁層内を前記光導波路と干渉しない位置で上下方向に延びるビアである、請求項３に記載の光電気複合モジュール。
【請求項５】
前記導波路型光素子は発光素子であり、
前記放熱基板上に設置され、該発光素子の発光をモニタする光モニタ素子と、
前記駆動ＬＳＩと前記発光素子とを前記絶縁層の厚み方向に接続し、前記光モニタ素子のモニタ信号を前記駆動ＬＳＩにフィードバックするＤＣ線路とをさらに有する、請求項２に記載の光電気複合モジュール。
【請求項６】
前記絶縁層は上面に前記上部グランド電極を含むコプレーナ線路を有する、請求項２に記載の光電気複合モジュール。
【請求項７】
前記絶縁層はポリマ樹脂材料からなる、請求項１に記載の光電気複合モジュール。
【請求項８】
前記導波路型光素子が設置された放熱基板上のガイド機構に設置され、前記光導波路と接続して光入出力を行う光ファイバをさらに有する、請求項１に記載の光電気複合モジュール。
【請求項９】
複数の前記光導波路がアレイ状に形成され、該光導波路の各々に前記導波路型光素子が接続している、請求項１に記載の光電気複合モジュール。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【国際公開番号】ＷＯ２００５／０７１８０７
【国際公開日】平成１７年８月４日（２００５．８．４）
【発行日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５１７２４９（Ｐ２００５−５１７２４９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００５／０００６４０
【国際出願日】平成１７年１月２０日（２００５．１．２０）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１７年８月４日（２００５．８．４）
【発行日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００５／０００６４０
【国際出願日】平成１７年１月２０日（２００５．１．２０）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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