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JP4163909B2 - Optical module and optical module assembly using the same - Google Patents
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JP4163909B2 - Optical module and optical module assembly using the same - Google Patents

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JP4163909B2 JP2002204682A JP2002204682A JP4163909B2 JP 4163909 B2 JP4163909 B2 JP 4163909B2 JP 2002204682 A JP2002204682 A JP 2002204682A JP 2002204682 A JP2002204682 A JP 2002204682A JP 4163909 B2 JP4163909 B2 JP 4163909B2
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Description

【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】
【発明が解決しようとする課題】
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、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り、前記面型光半導体素子を囲う支持体を設け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)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technology relating to the mounting of a surface type optical semiconductor element such as a VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), a PIN type photodiode, or an avalanche photodiode, for example, for operating such a surface type optical semiconductor element. And an optical module assembly that is mounted on an external circuit board and can be assembled in a small size and with high reliability.
[0002]
[Prior art]
In recent years, large-capacity optical fiber communication has become widespread and developed in the fields of public communication and local area communication (LAN). As a result, the transmission speed has been increased, and high-speed optical transmission using optical fibers is required even at close distances of up to about 500 meters, and it has been used for optical transmission over a distance of several kilometers to several hundred kilometers conventionally used. In addition, the importance of very short distance (VSR) optical transmission and applications called Gigabit Ethernet (R) (GbE) are increasing. In these VSR and GbE applications, an optical transmission rate of 10 gigabits per second is being required. In such transmission, an unspecified number and a wide variety of uses are assumed. Miniaturization and improvement of mass productivity are considered industrially important.
[0003]
In conventional optical communication systems, 1.55 micron and 1.33 micron band semiconductor lasers with low optical fiber loss and dispersion have been widely used. However, in short-distance fields such as LANs, As a new optical semiconductor device having excellent characteristics and capable of high-speed optical transmission, a surface-type light emitting element called VCSEL of 0.85 micron band has been used. On the other hand, in the light receiving element, in order to electrically convert a high-speed optical signal as in the conventional case, a light receiving element such as a PIN type photodiode or an avalanche photodiode is used as the light receiving element of the VCSEL.
[0004]
In a LAN or the like using Gigabit Ethernet (R), for example, as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-214351, an optical transceiver in which a transmitter and a receiver are mounted in one package is generally used. The size is also standardized. In recent years, the downsizing of optical transceivers has progressed in order to reduce the size of the entire device, and has changed to a form called SFF (Small Form Factor), which is about half the size of the conventional one. In general, these planar optical semiconductor elements are accommodated in a cylindrical casing formed of a metal casing called a TO-CAN package and lead pins, and are formed into an optical module, and an electronic circuit on which an electronic circuit for controlling the optical module is mounted. Used by being fixedly mounted on a circuit board.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional TO-CAN type optical module package, when the electronic module is mounted on the electronic circuit board on which the electronic circuit is mounted with the lead pin of the optical module package, the lead pin is in the air between the optical module package and the electronic circuit board. Since wiring is performed, discontinuity in the characteristic impedance of the wiring greatly occurs, resulting in deterioration of high frequency characteristics.
[0006]
In order to solve this problem, it is conceivable to shorten the lead pin as much as possible and mount it on an electronic circuit board so that the lead pin is not exposed to the air. It is difficult to ensure period reliability, and the high frequency characteristics are not stable due to variations in the lead pin length and the amount of solder when the optical module is mounted and fixed, resulting in poor mass productivity. Furthermore, since the TO-CAN type optical module package is standardized to φ5.6 mm, further miniaturization is difficult.
[0007]
In addition, since the lead pins are arranged concentrically from the center of the package, in order to mount on the electronic circuit board, the pins are bent in the middle of the lead pins, holes are made in the electronic circuit board, the lead pins are inserted, and soldering is performed. It was a structure with poor mass productivity that was not suitable for the electronic component mounting process.
[0008]
Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-described problems, and is particularly suitable for mounting of a planar optical semiconductor element, and is excellent in mass productivity, small in size, high in frequency characteristics and reliable. An object of the present invention is to provide an optical module assembly using the same.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In order to achieve the above object, an optical module of the present invention has a planar optical semiconductor element disposed on a substrate on which a wiring for energizing the planar optical semiconductor element is formed. The optical waveguide to be connected is attached, and an external wiring for energizing the surface type optical semiconductor element is formed on the surface of the substrate excluding the arrangement surface of the surface type optical semiconductor element and its back surface. fixed to an external circuit board, and a wiring formed on the external circuit formed external wiring substrate and the base body to allow electrical connection, the surfaces were provided with surface optical semiconductor element of the substrate, wherein It is made of a metal for supporting the optical waveguide and is provided with a support that surrounds the planar optical semiconductor element .
[0010]
Further, in the above-described configuration, it is preferable that an internal wiring that can electrically connect the planar optical semiconductor element and an external wiring formed on the external circuit board is formed in the base. In addition, a support made of a metal for supporting the optical waveguide may be provided on the surface of the base on which the surface type optical semiconductor element is disposed.
[0011]
The optical waveguide includes an optical fiber and a ferrule that holds the optical fiber.
[0012]
The optical module assembly of the present invention is characterized in that any one of the above optical modules is mounted on the external circuit board via solder.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of an optical module of the present invention and an optical module assembly using the optical module will be described in detail with reference to the drawings schematically showing the embodiments.
[0014]
1 is a perspective view of an optical module M1 according to the present invention, FIG. 2 is an exploded perspective view of the optical module M1, and FIG. 3 is a diagram for explaining a wiring structure and the like in a base 1 portion constituting the optical module M1 according to the present invention. 4 is a perspective view showing a VCSEL 2 which is a surface type optical semiconductor element constituting the optical module M1, FIG. 5 is a perspective view showing a state of a base 1 part constituting the optical module M1, and FIG. 6 is a perspective view in FIG. It is sectional drawing cut | disconnected by the surface containing the optical axis of the optical waveguide body which comprises the optical module M1.
[0015]
The optical module M1 of the present invention includes an optical waveguide (mainly an optical fiber 42 and an optical fiber 42) optically connected to the VCSEL 2 on the VCSEL 2 arrangement surface 16 side of the base 1 on which the VCSEL 2 is arranged and wiring for energizing the VCSEL 2 is formed. It is made up of a ferrule 41 that accommodates and holds this. Then, an external circuit (not shown) in which external wiring for energizing the VCSEL 2 is formed on the surface excluding the VCSEL 2 arrangement surface 16 and the back surface 20 of the base 1, that is, any one of the side surfaces of the base 1. The external wiring formed on the external circuit board and the wiring formed on the base 1 can be electrically connected to each other by being fixed to the substrate.
[0016]
Further, as will be described later, internal wirings (12b, 13b, 13c, 12c, 13d) are formed in the base 1 so that the VCSEL 2 and the external wiring formed on the external circuit board can be electrically connected. ing. Further, the base body 1 has a support 16 made of a metal for supporting the optical waveguide on the surface 16 on which the VCSEL 2 is disposed, that is, a metal fitting 17, a first metal protector 4, and a second metal protector. A body 9 is provided. Here, in the drawing, lead electrodes 14, 15a, and 15b having a coplanar structure are provided on a surface 30 (a mounting surface of the optical module on the external circuit substrate) 30 of the base 1 that is fixed to the external circuit substrate. Instead of the lead electrode, a terminal electrode group composed of a plurality of grid-like terminal electrodes may be formed in at least three regions. The terminal electrode group is formed along the optical axis direction of the optical waveguide.
[0017]
Specifically, as shown in the figure, in the optical module M1, the VCSEL 2 is arranged on one main surface 16 of the substrate 1 which is an optical component mounting substrate, and the VCSEL 2 is enclosed on the same main surface 16 of the substrate 1. An annular metal fitting 17 is provided, and a spherically formed lens 34 is closed in an upper opening of the metal fitting 17, and the metal annular body 3 provided with the lens 34 in the center is attached to the metal fitting 17. A first metal protector 4 that is disposed on the metal fitting 17 and covers the upper part of the metal annular body 3 so as to cover the upper part of the metal annular body 3 is formed on the one end side. 4a is disposed on the base 1 side. Further, in the same manner as the first metal protector 4, an optical fiber 42 that is optically connected to the VCSEL 2 is disposed inside a second metal protector 9 that is cylindrical and has a flange 9 a formed at one end. A columnar ferrule 41 is accommodated, and the second metal protector 9 is accommodated in the first metal protector 4. As described above, the first and second metal protectors 4 and 9 are provided with the flange portions 4a and 9a so that an optical connector receptacle (not shown) can be fitted.
[0018]
In the base 1, electrode patterns 12 a and 13 a for transmitting electrical signals to the VCSEL 2 are formed on the arrangement surface 16 of the VCSEL 2. The electrode patterns 12 a and 13 a are electrically connected by via conductors 12 b, 13 b and 13 c of internal wiring formed inside the substrate 1. Furthermore, lead electrodes 14, 15a and 15b, which are external pads for electrical connection to the outside, are provided on the surface 30 which is the lower surface side when the substrate 1 is erected, and are electrically connected to each of these lead electrodes. External conductive patterns 18 and 19 are formed on a surface 30 on the side of the substrate 1 on the external circuit board. The external conductive patterns 18 and 19 are connected to internal conductor patterns 12c and 13d formed inside the base 1, respectively. The internal conductor patterns 12c and 13d are connected to the via conductors 12b, 13b and 13c, respectively. It is connected to the.
[0019]
The electrode patterns 12a, 13a, the via conductors 12b, 13b, 13c, the internal conductor patterns 12c, 13d, and the like are high-frequency lines for transmitting an electrical signal of 10 Gbps. In particular, the electrode patterns 12a, 13a, the internal conductor pattern 12c, 13d is a coplanar electric wiring whose impedance is matched to 25Ω or 50Ω, and the lead electrodes 14, 15a and 15b are formed in a grid array in which three electrodes of a ground electrode, a signal electrode, and a ground electrode are arranged. A coplanar electrode is preferable, and the high-speed transmission of 10 Gbps can be achieved with this configuration.
[0020]
Here, instead of the lead electrodes 14, 15 a, 15 b, by using a ball-shaped grid array to which solder balls are added, the convenience in mounting the optical module M <b> 1 can be further improved.
[0021]
The substrate 1 has a multilayer wiring structure in which ceramic materials such as alumina and aluminum nitride are laminated. The electrode patterns 12a and 13a and the internal conductor patterns 12c and 13d are made of any one of Au, Ni, W, and the like. A conductor thick film including at least is formed by printing or the like, or made of metallization such as Cu, and the via conductors 12b, 13b, and 13c are made of W or the like.
[0022]
The metal fitting 17 is made of Kovar or the like, and is brazed to the base 1. Furthermore, the metal annular body 3 provided with the lens 34 made of Kovar, stainless steel or the like is easily hermetically sealed by resistance welding or the like to the metal fitting 17 after the VCSEL 2 is mounted. Thereby, VCSEL2 can be protected for a long lifetime.
[0023]
The VCSEL 2 includes an active layer 21 which is a light emitting portion on the surface, and electrodes 22, 23 a and 23 b made of Ti / Pt / Au metal or the like in the lower layer / upper layer in order to apply an electric signal to the active layer 21, and the VCSEL 2 Alignment markers 24a and 24b made of Au metal or the like used for mounting on the substrate 1 are formed.
[0024]
In the VCSEL 2, the active layer 21 is mounted on the optical semiconductor element arrangement surface 16 of the base 1 on the upper surface. The electrodes 22, 23a, and 23b of the VCSEL 2 are electrically connected to electrode patterns 12a and 13b that are coplanar electric wirings of the substrate 1 through ribbons 31, 32, and 33 such as Au ribbons. Thereby, an optical signal can be generated from the active layer 21 by inputting an electric signal to the lead electrodes 14, 15 a, 15 b which are coplanar electrodes of the substrate 1.
[0025]
The first metal protectors 4 and 9 are made of Kovar or stainless steel.
[0026]
In this embodiment, the light emitting module using the VCSEL has been described. However, it is also possible to function as a light receiving module by using a light receiving semiconductor element such as a PIN photodiode or an avalanche photodiode as a planar optical semiconductor element. it can.
[0027]
Thus, according to the optical module M1 of this embodiment, the optical waveguide that is optically connected to the VCSEL 2 is attached to the base 1 on which the VCSEL 2 is provided, and the VCSEL 2 mounting surface 16 and the back surface 20 of the base 1 are connected. The surface to be removed is fixed to an external circuit board on which external wiring for energizing the VCSEL 2 is formed, and the external wiring formed on the external circuit board and the wiring formed on the base 1 can be electrically connected. Therefore, a simple configuration can be obtained, the assembly is simplified, and good optical connection can be efficiently performed.
[0028]
In particular, since the internal wiring (12b, 13b, 13c, 12c, 13d) that allows the VCSEL 2 and the external wiring formed on the external circuit board to be electrically connected is provided in the base 1, the electrical wiring is shortened. It is possible to reduce the electrical transmission loss and to generate and receive an optical signal capable of high output and high speed transmission.
[0029]
Further, in particular, on the surface 16 on which the VCSEL 2 of the substrate 1 is disposed, a support (metal fitting 17, metal annular body 3, metal support for the optical waveguide (the optical fiber 42 and the ferrule 41 that accommodates the optical waveguide)) is formed. Since the first metal protector 4 and the second metal protector 9) are provided, the optical waveguide can be metal-welded, and a structure capable of easily obtaining highly reliable and highly efficient optical coupling characteristics is obtained. Therefore, stable light emitting and receiving characteristics can be obtained over a long period of time.
[0030]
In particular, by forming a terminal electrode group composed of lead electrodes (14, 15a, 15b) and a plurality of terminal electrodes arranged in a grid on the surface fixed to the external circuit board of the substrate 1 in at least three regions. A coplanar high-frequency electrode structure of ground (for grounding), signal (for signal), and ground (for grounding) can be obtained, and high-speed optical transmission characteristics exceeding 10 Gbps can be easily obtained. Furthermore, by forming the lead electrode and the terminal electrode group along the optical axis direction of the optical waveguide, the external circuit board surface for mounting the optical module and the position for emitting and receiving the optical signal are made the same plane. Therefore, a small and low-profile optical module can be obtained.
[0031]
In addition, since the optical waveguide includes an optical fiber and a ferrule that holds the optical fiber, a receptacle structure that can be attached and detached by an optical connector can be easily obtained, and the operability of the optical module is excellent.
[0032]
Next, the optical module assembly will be described. As shown in FIG. 7, the optical module assembly includes a light emitting module T in which a VCSEL is mounted as a planar optical semiconductor element on one end side of a mounting substrate 8 that is an external circuit board, and a PIN photodiode as a planar optical semiconductor element. A driver IC 5 for driving the light emitting module T, a TIA (transimpedance amplifier) 6 for amplifying and shaping the electric signal obtained from the light receiving module R, and a capacitor And a mounting substrate 8 on which an additional electronic device 7 such as a resistor is mounted.
[0033]
In this way, by adopting a structure in which the electrodes are arranged in parallel with the optical axes of the light emitting module T and the light receiving module R, solder such as cream solder is applied in advance to the mounting electrodes of the mounting base 8, and the light emitting module T In addition, by arranging the light receiving module R, the electronic device 7, the driver IC 5, the TIA 6, and the like, a solder reflow process of about 260 ° C. can be performed, and the optical module assembly that is mounted and fixed in a lump is completed.
[0034]
Further, by forming a gap 10 (space) between the optical module and the mounting substrate 8, it is not necessary to form an insulating layer in the gap 10 to perform impedance matching.
[0035]
Here, as shown in FIG. 8, the step portion 11 is formed on the base 1 of the optical module M2, and the external electrode pad 82 for connecting the step portion 11 is substantially parallel to the optical axis and is an external circuit board. The mounting surface of the mounting substrate 81 and the optical axis can be placed in a horizontal position by being disposed substantially horizontally with respect to the mounting substrate 81 and at one end of the mounting substrate 81 on which the electronic device 71 and the control IC 61 are mounted. In addition, an optical module assembly with a lower profile can be provided.
[0036]
As described above, according to the optical module assembly of the present embodiment, the optical module can be automatically assembled to the external circuit board together with the additional electronic circuit by solder reflow or the like, which is excellent in mass productivity and consequently. An inexpensive optical module assembly can be provided.
[0037]
【The invention's effect】
According to the optical module and the optical module assembly of the present invention, the following remarkable effects can be obtained.
[0038]
According to the optical module of claim 1, an optical waveguide optically connected to the planar optical semiconductor element is attached to the substrate on which the planar optical semiconductor element is disposed and wiring for energizing the planar optical semiconductor element is formed. The surface excluding the surface and the back surface of the planar optical semiconductor element is fixed to an external circuit board on which external wiring for energizing the planar optical semiconductor element is formed, and formed on the external circuit board Since the external wiring and the wiring formed on the substrate can be electrically connected to each other, a simple configuration can be obtained, the assembly is simplified, and good optical connection can be efficiently performed.
[0039]
According to the optical module of the second aspect, the internal wiring that enables the electrical connection between the planar optical semiconductor element and the external wiring formed on the external circuit board is formed in the base. Therefore, it is possible to reduce the electric transmission loss and to generate and receive an optical signal that can be transmitted at high power and at high speed.
[0040]
According to the optical module of the third aspect, since the support body made of metal for supporting the optical waveguide is provided on the surface of the base on which the surface type optical semiconductor element is disposed, the optical waveguide is metal-welded here. Therefore, it is possible to easily obtain a highly reliable and highly efficient optical coupling characteristic, and to obtain a stable light emitting / receiving characteristic over a long period of time.
[0041]
According to the optical module of the fourth aspect, since the optical waveguide includes an optical fiber and a ferrule that holds the optical fiber, a receptacle structure that can be attached and detached by an optical connector can be easily obtained, and the operability of the optical module is improved. Excellent.
[0042]
According to the optical module assembly of claim 5, the optical module can be automatically assembled to the external circuit board together with the additional electronic circuit by solder reflow or the like, and is excellent in mass productivity and consequently inexpensive. A module assembly can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view schematically illustrating an embodiment of an optical module according to the present invention.
2 is an exploded perspective view of the optical module in FIG. 1. FIG.
3 is a perspective view for explaining a wiring structure or the like in a base portion constituting the optical module in FIG. 1. FIG.
4 is a perspective view of a planar optical semiconductor element constituting the optical module in FIG. 1. FIG.
5 is a perspective view of a base portion constituting the optical module in FIG. 1. FIG.
6 is a view for explaining the optical module in FIG. 1, and is a cross-sectional view cut along a plane including an optical axis of an optical waveguide constituting the optical module. FIG.
FIG. 7 is a perspective view schematically illustrating an embodiment of an optical module assembly according to the present invention.
FIG. 8 is a side view schematically illustrating another embodiment of the optical module assembly according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Substrate 2: VCSEL (Surface type optical semiconductor element)
3: Lens 4: First metal protector (constituting support)
5: Driver IC
6: TIA
7, 71: Electronic device 8, 81: Mounting substrate (external circuit board)
9: Second metal protector (constructs a support)
12-13, 18, 19: Electric wiring 12b, 13b, 13c: Internal wiring 14-15, 82: External electrode pad (lead electrode)
16: Arrangement surface 17 of the surface type optical semiconductor element 17: Metal fitting (constituting support)
20: Back surface 21: Active layers 22-23: Electrode pattern 24: Alignment marker 30: Mounting surface 31-33 on optical circuit board of optical module Ribbon 41: Ferrule (configures optical waveguide)
42: Optical fiber (constructs an optical waveguide)
61: Control IC
M1, M2: Optical module R: Light receiving module (optical module)
T: Light emitting module (optical module)

Claims (4)

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、
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り、前記面型光半導体素子の側部を囲う支持体を設けたことを特徴とする光モジュール。
An optical waveguide that is optically connected to the planar optical semiconductor element is attached to a substrate on which a planar optical semiconductor element is disposed and wiring for energizing the planar optical semiconductor element is formed. The surface excluding the surface-type optical semiconductor element mounting surface and its back surface is fixed to an external circuit board on which external wiring for energizing the surface-type optical semiconductor element is formed, and is formed on the external circuit board To be able to electrically connect external wiring and wiring formed on the base,
A light having a support made of a metal for supporting the optical waveguide and surrounding a side portion of the planar optical semiconductor element is provided on a surface of the substrate on which the planar optical semiconductor element is disposed. module.
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。2. The optical module according to claim 1, wherein an internal wiring capable of electrically connecting the planar optical semiconductor element and an external wiring formed on the external circuit board is formed in the base. 3. 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または2に記載の光モジュール。The optical module according to claim 1, wherein the optical waveguide includes an optical fiber and a ferrule that holds the optical fiber. 請求項1乃至のいずれか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。The optical module according to any one of claims 1 to 3, wherein the optical module assembly, characterized in that it is implemented via a solder to an external circuit board.
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