(57)【要約】【課題】面型光半導体素子の光素子の実装に適し、しかも量産性に優れ、小型で高周波特性に優れ、高信頼な光モジュール及び光モジュールアセンブリを提供すること。【解決手段】ＶＣＳＥＬ２を配設しこれに通電するための配線を形成した基体１のＶＣＳＥＬ２の配設面１６側に、ＶＣＳＥＬ２に光接続する光導波体（主に光ファイバ４２とこれを収容したフェルール４１で構成）を取り付けてなり、基体１のＶＣＳＥＬ２の配設面１６とその背面２０とを除く面、すなわち、基体１の側面のいずれかの面を、ＶＣＳＥＬ２に通電するための外部配線が形成された不図示の外部回路基板に固定し、この外部回路基板に形成された外部配線と基体１に形成した配線とを電気的に接続できるようにした光モジュールＭ１とする。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
面型光半導体素子を配設し該面型光半導体素子に通電するための配線を形成した基体に、前記面型光半導体素子に光接続する光導波体を取り付けてなるとともに、前記基体の前記面型光半導体素子の配設面とその背面とを除く面を、前記面型光半導体素子に通電するための外部配線が形成された外部回路基板に固定し、該外部回路基板に形成された外部配線と前記基体に形成した配線とを電気的に接続できるようにしたことを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記基体中に、前記面型光半導体素子と前記外部回路基板に形成された外部配線とを電気的に接続可能とする内部配線を形成したことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項３】
前記基体の面型光半導体素子を配設した面に、前記光導波体を支持するための金属からなる支持体を設けたことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項４】
前記光導波体は、光ファイバと該光ファイバを保持するフェルールとを備えてなることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項５】
請求項１乃至４に記載の光モジュールが、前記外部回路基板にはんだを介して実装されていることを特徴とする光モジュールアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ　Ｃａｖｉｔｙ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｌａｓｅｒ）、ＰＩＮ型ホトダーオード、またはアバランシェホトダイオード等の面型光半導体素子の実装に係る技術に関し、例えば、このような面型光半導体素子とそれを作動させるための電子部品とを備え、広帯域で小型にかつ信頼性よく組み立て可能な光モジュール及びこれを外部回路基板に実装した光モジュールアセンブリに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、公衆通信や構内通信（ＬＡＮ）の分野において、大容量光ファイバ通信が広く普及し発展してきている。それにともない伝送速度が高速化され、５００メートル程度までの至近距離においても、光ファイバを用いた高速光伝送が必要とされ、従来から使用されてきた数キロメートル〜数百キロメートルといった距離の光伝送に加えて、超近距離（Ｖｅｒｙ　Ｓｈｏｒｔ　Ｒｅａｃｈ；ＶＳＲ）の光伝送や、ギガビットイーサネット（Ｒ）（ＧｂＥ）と呼ばれる用途の重要性が高まってきている。これら、ＶＳＲやＧｂＥの用途では、毎秒１０ギガビットの光伝送速度が必要とされつつあり、このような伝送では、不特定多数、多種多様な使用が想定され、従来と比較して大幅な装置の小型化や量産性の向上が産業上重要であると考えられている。
【０００３】
従来の光通信システムでは、光ファイバの損失や分散の小さい１．５５ミクロンや１．３３ミクロン帯の半導体レーザが広く一般に使用されてきたが、ＬＡＮ等の近距離の分野においては、量産性にすぐれ、特性が安定でしかも高速光伝送可能な新しい光半導体デバイスとして、０．８５ミクロン帯のＶＣＳＥＬと呼ばれる面型光発光素子が用いられるようになってきた。一方、受光素子においては、従来と同じように高速光信号を電気変換するためＰＩＮ型ホトダイオード、さらには、アバランシェホトダイオード等の受光素子がＶＣＳＥＬの受光素子として使用されている。
【０００４】
ギガビットイーサネット（Ｒ）が用いられるＬＡＮ等においては、例えば特開２０００−２１４３５１号公報に開示されているように、送信機と受信機が１つにパッケージング搭載された光トランシーバの形態が一般的であり、大きさも規格化されている。近年では、装置全体の小型化のために、光トランシーバの小型化が進み、従来の約半分の大きさであるＳＦＦ（Ｓｍａｌｌ　Ｆｏｒｍ　Ｆａｃｔｏｒ）とよばれる形態に変わってきた。一般に、これら面型光半導体素子は、ＴＯ−ＣＡＮパッケージと呼ばれる金属筐体とリードピンで形成された円筒筐体内に収容され光モジュール化され、光モジュールを制御するための電子回路が搭載される電子回路基板に実装固定されて使用されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のＴＯ−ＣＡＮ型光モジュールパッケージでは、光モジュールパッケージのリードピンで電子回路が搭載される電子回路基板に実装を行う際に、光モジュールパッケージと電子回路基板との間において、リードピンが空中配線されるため、配線の特性インピーダンスの不連続が大きく生じ、高周波特性の劣化を招く。
【０００６】
この問題を解決するために、リードピンが空気中にさらされないように、極力リードピンを短くし、電子回路基板に実装することも考えられるが、短いリードピンのみで長期間にわたり光モジュールを支持し、長期間信頼性を確保することは困難であるうえに、リードピン長さのばらつきや、光モジュールの実装固定時におけるはんだ量のばらつきにより、高周波特性が安定せず、量産性に乏しい。さらに、ＴＯ−ＣＡＮ型光モジュールパッケージはφ５．６ミリメートルと規格化されているため、これ以上の小型化は困難である。
【０００７】
また、リードピンはパッケージの中心から同心円上に配置されているため、電子回路基板に実装するためには、リードピンの途中でピンを折り曲げ、電子回路基板に穴をあけてリードピンを挿入し、はんだづけを行うといった、電子部品実装プロセスには向かない量産性に乏しい構造であった。
【０００８】
そこで、本発明は、上述の諸問題に鑑み提案されたものであり、特に面型光半導体素子の実装に適し、しかも量産性に優れ、小型で高周波特性にも優れ信頼性のある光モジュール及びそれを用いた光モジュールアセンブリを提供することを目的とする。
【０００９】
【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、面型光半導体素子を配設し該面型光半導体素子に通電するための配線を形成した基体に、前記面型光半導体素子に光接続する光導波体を取り付けてなるとともに、前記基体の前記面型光半導体素子の配設面とその背面とを除く面を、前記面型光半導体素子に通電するための外部配線が形成された外部回路基板に固定し、該外部回路基板に形成された外部配線と前記基体に形成した配線とを電気的に接続できるようにしたことを特徴とする。
【００１０】
また、前記構成において、前記基体中に、前記面型光半導体素子と前記外部回路基板に形成された外部配線とを電気的に接続可能とする内部配線を形成するとよい。また、前記基体の面型光半導体素子を配設した面に、前記光導波体を支持するための金属からなる支持体を設けるとよい。
【００１１】
また、前記光導波体は、光ファイバと該光ファイバを保持するフェルールとを備えてなるものとする。
【００１２】
また、本発明の光モジュールアセンブリは、上記いずれかの光モジュールが前記外部回路基板にはんだを介して実装されていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光モジュール及びそれを用いた光モジュールアセンブリの実施形態を模式的に示した図面に基づき詳細に説明する。
【００１４】
図１は本発明に係る光モジュールＭ１の斜視図、図２は光モジュールＭ１の分解斜視図、図３は本発明に係る光モジュールＭ１を構成する基体１部分における配線構造等を説明するための透視図、図４は光モジュールＭ１を構成する面型光半導体素子であるＶＣＳＥＬ２を示す斜視図、図５は光モジュールＭ１を構成する基体１部分の様子を示す斜視図、図６は図１における光モジュールＭ１を構成する光導波体の光軸を含む面で切断した断面図である。
【００１５】
本発明の光モジュールＭ１は、ＶＣＳＥＬ２を配設しこれに通電するための配線を形成した基体１のＶＣＳＥＬ２の配設面１６側に、ＶＣＳＥＬ２に光接続する光導波体（主に光ファイバ４２とこれを収容し保持するフェルール４１で構成）を取り付けてなるものである。そして、基体１のＶＣＳＥＬ２の配設面１６とその背面２０とを除く面、すなわち、基体１の側面のいずれかの面を、ＶＣＳＥＬ２に通電するための外部配線が形成された不図示の外部回路基板に固定し、この外部回路基板に形成された外部配線と基体１に形成した配線とを電気的に接続できるようにしている。
【００１６】
また、基体１中には、後記するようにＶＣＳＥＬ２と前記した外部回路基板に形成された外部配線とを電気的に接続可能とする内部配線（１２ｂ、１３ｂ、１３ｃ、１２ｃ、１３ｄ）を形成している。さらに、基体１は、ＶＣＳＥＬ２を配設した面１６に、前記光導波体を支持するための金属からなる支持体、すなわち、金属金具１７、第１の金属保護体４、及び第２の金属保護体９を設けている。ここで、図示では基体１の前記した外部回路基板に固定する面（光モジュールの外部回路基板への実装面）３０に、コプレーナ構造のリード電極１４、１５ａ、及び１５ｂを設けているが、これらリード電極の代わりに、グリッド状の複数の端子電極から成る端子電極群を、少なくとも３つの領域に形成してもよい。そして、この端子電極群は光導波体の光軸方向に沿って形成する。
【００１７】
具体的には図示されているように、光モジュールＭ１は、ＶＣＳＥＬ２を光部品実装用基体である基体１の一主面１６上に配置し、この基体１の同一主面１６にＶＣＳＥＬ２を囲い円環状をなす金属金具１７を配設して、この金属金具１７の上部開口に、球状に形成されたレンズ３４が塞がる状態で、このレンズ３４を中央部に設けた金属環状体３を金属金具１７上に配設してなり、そして金属金具１７上に金属環状体３の上方を覆うようにして、円筒状で鍔部４ａが一端側に形成された第１の金属保護体４を、鍔部４ａが基体１側になるように配設する。さらに、第１の金属保護体４と同様にして円筒状で一端部に鍔部９ａが形成された第２の金属保護体９内に、ＶＣＳＥＬ２に光接続させる光ファイバ４２が内部配置された円柱状のフェルール４１を収容して、この第２の金属保護体９を第１の金属保護体４内に収容して構成されている。このように、第１及び第２の金属保護体４、９において鍔部４ａ、９ａを備えることにより、不図示の光コネクタレセプタクルを嵌合できるようにしている。
【００１８】
基体１は、ＶＣＳＥＬ２の配設面１６に、ＶＣＳＥＬ２へ電気信号を伝達するための電極パターン１２ａ、１３ａが形成されている。また、これら電極パターン１２ａ、１３ａは、基体１の内部に形成された内部配線のビア導体１２ｂ、１３ｂ、１３ｃにより電気的に接続されている。さらに、基体１を立設する際に下面側となる面３０に、外部へ電気接続するための外部パッドであるリード電極１４、１５ａ、１５ｂが設けられ、これらリード電極のそれぞれに電気接続される外部導電パターン１８，１９が基体１の外部回路基板に配設する側の面３０に形成されている。そして、これら外部導電パターン１８，１９のそれぞれは基体１の内部に形成された内部導体パターン１２ｃ、１３ｄに接続されており、これら内部導体パターン１２ｃ、１３ｄは、ビア導体１２ｂ、１３ｂ、１３ｃのそれぞれに接続されている。
【００１９】
電極パターン１２ａ、１３ａ、ビア導体１２ｂ、１３ｂ、１３ｃ、及び内部導体パターン１２ｃ、１３ｄ等は、１０Ｇｂｐｓの電気信号が伝送するための高周波線路であり、特に電極パターン１２ａ、１３ａ、内部導体パターン１２ｃ、１３ｄは、２５Ωもしくは５０Ω等にインピーダンス整合されたコプレーナ電気配線であって、リード電極１４、１５ａ、１５ｂは、グランド電極、シグナル電極、グランド電極の３つの電極が配列化されたグリッドアレイ化されたコプレーナ電極であることが好適であり、このように構成することにより１０ＧＢｐｓの高速伝送が可能となる。
【００２０】
ここで、リード電極１４、１５ａ、１５ｂの代わりに、はんだボールを付加したボール状のグリッドアレイとすることにより、光モジュールＭ１を実装する際の利便性がよりいっそう向上させることができる。
【００２１】
基体１はアルミナ、窒化アルミニウム等のセラミックス材料を積層構造とした多層配線構造となっており、電極パターン１２ａ、１３ａ、及び内部導体パターン１２ｃ、１３ｄは、Ａｕ、Ｎｉ、及びＷ等のいずれかを少なくとも含む導体厚膜を印刷等で形成したり、Ｃｕ等のメタライズから成り、ビア導体１２ｂ、１３ｂ、１３ｃはＷ等から成る。
【００２２】
また、金属金具１７はコバール等から成り、これを基体１にろうづけする。さらに、この上にコバールやステンレス等から成るレンズ３４を設けた金属環状体３を、ＶＣＳＥＬ２を実装した後に、金属金具１７に対して抵抗溶接等により容易に気密封止構造としている。これにより、ＶＣＳＥＬ２を長寿命に保護することができる。
【００２３】
ＶＣＳＥＬ２には、表面に発光部である活性層２１、及び活性層２１に電気信号を印加するために下層／上層でＴｉ／Ｐｔ／Ａｕメタル等からなる電極２２、２３ａ、２３ｂ、また、ＶＣＳＥＬ２を基体１に実装するため際に利用するＡｕメタル等からなるアライメントマーカ２４ａ、２４ｂが形成されている。
【００２４】
ＶＣＳＥＬ２は、基体１の光半導体素子配設面１６に活性層２１を上面に実装される。ＶＣＳＥＬ２の電極２２、２３ａ、２３ｂは、Ａｕリボン等のリボン３１、３２、３３を介して基体１のコプレーナ電気配線である電極パターン１２ａ、１３ｂに電気接続される。これにより、基体１のコプレーナ電極であるリード電極１４、１５ａ、１５ｂに電気信号を入力することで活性層２１から光信号を発生させることができる。
【００２５】
また、第１の金属保護体４，９はコバールやステンレスで構成されている。
【００２６】
なお、この実施形態では、ＶＣＳＥＬを用いた発光モジュールについて説明をしたが、面型光半導体素子としてＰＩＮホトダイオードやアバランシェホトダイオード等の受光用半導体素子を用いることにより、受光モジュールとして機能させることも同様にできる。
【００２７】
かくして、本実施形態の光モジュールＭ１によれば、ＶＣＳＥＬ２を配設した基体１に、ＶＣＳＥＬ２と光接続する光導波体を取り付けてなり、基体１のＶＣＳＥＬ２の配設面１６とその背面２０とを除く面を、ＶＣＳＥＬ２に通電するための外部配線が形成された外部回路基板に固定し、この外部回路基板に形成された外部配線と基体１に形成した配線とを電気的に接続できるようにしたので、単純な構成とすることができ、組み立てが簡便となり、しかも良好な光接続を効率よく行える。
【００２８】
また特に、基体１中に、ＶＣＳＥＬ２と外部回路基板に形成された外部配線とを電気的に接続可能とする内部配線（１２ｂ、１３ｂ、１３ｃ、１２ｃ、１３ｄ）を施したので、電気配線を短尺化することが可能となり、電気伝送損失の低減がはかられ、高出力かつ高速伝送可能な光信号の発・受光が得られる。
【００２９】
また特に、基体１のＶＣＳＥＬ２を配設した面１６に、光導波体（光ファイバ４２とこれを収容したフェルール４１）を支持するための金属からなる支持体（金属金具１７、金属環状体３、第１の金属保護体４、第２の金属保護体９）を設けたので、光導波体を金属溶接するこことが可能となり、容易に高信頼かつ高効率光結合特性が得られる構造とすることができ、長期にわたり安定した発・受光特性が得られる。
【００３０】
また特に、基体１の外部回路基板に固定する面に、リード電極（１４、１５ａ、１５ｂ）やグリッド状に配置した複数の端子電極から成る端子電極群を、少なくとも３つの領域に形成することにより、グランド（接地用）・シグナル（信号用）・グランド（接地用）のコプレーナ高周波電極構造とすることができ、１０ＧＢｐｓを超える高速光伝送特性が容易に得られる。さらに、前記リード電極や端子電極群を光導波体の光軸方向に沿って形成することにより、光モジュールを実装するための外部回路基板面と光信号を発・受光する位置を同一面にすることができ、小型で低背な光モジュールが得られる。
【００３１】
また、前記光導波体は、光ファイバとそれを保持するフェルールからなることにより、光コネクタで着脱・接続するレセプタクル構造を容易に得ることができ光モジュールの操作性に優れる。
【００３２】
次に、光モジュールアセンブリについて説明する。図７に示すように、光モジュールアセンブリは、外部回路基板である実装基体８の一端側に、面型光半導体素子としてＶＣＳＥＬが搭載された発光モジュールＴと、面型光半導体素子としてＰＩＮホトダイオードが搭載された受光モジュールＲとを搭載し、さらに、発光モジュールＴを駆動するためのドライバＩＣ５受光モジュールＲから得られた電気信号を増幅、波形成形するためのＴＩＡ（トランスインピーダンスアンプ）６、及びコンデンサや抵抗等の付加電子デバイス７を実装される実装基体８で構成されている。
【００３３】
このように、発光モジュールＴ及び受光モジュールＲの光軸と平行な位置に電極を配設した構造とすることにより、実装基体８の実装電極に予めクリームはんだ等のはんだを塗布し、発光モジュールＴ及び受光モジュールＲと、電子デバイス７、ドライバＩＣ５、及びＴＩＡ６等を配置させることで、２６０℃程度のはんだリフロー工程を施すことができ、一括にて実装固定された光モジュールアセンブリが完成される。
【００３４】
また、光モジュールと実装基体８とに隙間１０（空間）を形成させることにより、この隙間１０に絶縁層を形成させてインピーダンス整合を行なわせる必要がない。
【００３５】
ここで、図８に示すように、光モジュールＭ２の基体１に段差部１１を形成して、この段差部１１を接続させる外部電極パッド８２を光軸に略平行に、且つ外部回路基板である実装基体８１に対し略水平に、しかも電子デバイス７１や制御ＩＣ６１が実装される実装基体８１の一端部に配置させることにより、実装基体８１の実装表面と光軸を水平な位置とすることが可能とするだけでなく、より低背化を図った光モジュールアセンブリを提供できる。
【００３６】
以上のように、本実施形態の光モジュールアセンブリによれば、光モジュールを外部回路基板に付加電子回路とともにはんだリフロー等により自動化された一括したアセンブルを行うことができ、量産性に優れ、結果的に安価な光モジュールアセンブリを提供することができる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明の光モジュール及び光モジュールアセンブリによれば、以下に示す顕著な効果を奏することができる。
【００３８】
請求項１の光モジュールによれば、面型光半導体素子を配設しこれに通電するための配線を形成した基体に、面型光半導体素子に光接続する光導波体を取り付けてなり、基体の面型光半導体素子の配設面とその背面とを除く面を、面型光半導体素子に通電するための外部配線が形成された外部回路基板に固定し、この外部回路基板に形成された外部配線と前記基体に形成した配線とを電気的に接続できるようにしたので、単純な構成とすることができ、組み立てが簡便となり、しかも良好な光接続を効率よく行える。
【００３９】
請求項２の光モジュールによれば、基体中に、面型光半導体素子と外部回路基板に形成された外部配線とを電気的に接続可能とする内部配線を形成したので、電気配線を短尺化することが可能となり電気伝送損失の低減がはかられ、高出力かつ高速伝送可能な光信号の発・受光が得られる。
【００４０】
請求項３の光モジュールによれば、基体の面型光半導体素子を配設した面に、光導波体を支持するための金属からなる支持体を設けたので、光導波体を金属溶接するこことが可能となり、容易に高信頼かつ高効率光結合特性が得られる構造とすることができ、長期にわたり安定した発・受光特性が得られる。
【００４１】
請求項４の光モジュールによれば、前記光導波体は、光ファイバとそれを保持するフェルールからなることにより、光コネクタで着脱・接続するレセプタクル構造を容易に得ることができ光モジュールの操作性に優れる。
【００４２】
請求項５の光モジュールアセンブリによれば、光モジュールを前記外部回路基板に付加電子回路とともにはんだリフロー等により自動化された一括したアセンブルを行うことができ、量産性に優れ、結果的に安価な光モジュールアセンブリを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光モジュールの実施形態を模式的に説明する斜視図である。
【図２】図１における光モジュールの分解斜視図である。
【図３】図１における光モジュールを構成する基体部分における配線構造等を説明するための透視図である。
【図４】図１における光モジュールを構成する面型光半導体素子の斜視図である。
【図５】図１における光モジュールを構成する基体部分の斜視図である。
【図６】図１における光モジュールを説明するための図であり、光モジュールを構成する光導波体の光軸を含む面で切断した断面図である。
【図７】本発明に係る光モジュールアセンブリの実施形態を模式的に説明する斜視図である。
【図８】本発明に係る光モジュールアセンブリの他の実施形態を模式的に説明する側面図である。
【符号の説明】
１：基体
２：ＶＣＳＥＬ（面型光半導体素子）
３：レンズ
４：第１の金属保護体（支持体を構成）
５：ドライバＩＣ
６：ＴＩＡ
７、７１：電子デバイス
８、８１：実装基体（外部回路基板）
９：第２の金属保護体（支持体を構成）
１２〜１３、１８、１９：電気配線
１２ｂ、１３ｂ、１３ｃ：内部配線
１４〜１５、８２：外部電極パッド（リード電極）
１６：面型光半導体素子の配設面
１７：金属金具（支持体を構成）
２０：背面
２１：活性層
２２〜２３：電極パターン
２４：アライメントマーカ
３０：光モジュールの外部回路基板への実装面
３１〜３３リボン
４１：フェルール（光導波体を構成）
４２：光ファイバ（光導波体を構成）
６１：制御ＩＣ
Ｍ１、Ｍ２：光モジュール
Ｒ：受光モジュール（光モジュール）
Ｔ：発光モジュール（光モジュール）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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