JP2005077858A - 光モジュール、光伝送装置及び光伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】 レンズを不要として構成の簡易化を図るとともに、光ファイバの端面の欠けなどを未然に防止し得る強度の高い光学系を有する光モジュール及び低価格の光伝送装置、並びに光伝送システムを提供する。
【解決手段】 光モジュールは、軸心部に光ファイバ５が貫通され、軸方向の一端に光ファイバの末端が揃えられた筒状部１７を有し、筒状部の一端部に光ファイバ５と略平行な平坦部１０が形成されたフェルール１と、フェルールの平坦部に板面の一方の端部が固着された基板２と、基板の板面の他方の端部に実装された発光素子３又は受光素子４と、光ファイバの末端と発光素子又は受光素子とを光学的に結合させる光学系８とを備える。光伝送装置はこの光モジュールを用い、光伝送システムはこの光伝送装置を用いる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光ファイバ通信などを行うための光モジュール及び光モジュールを用いた光伝送装置、並びに光伝送装置を用いた光伝送システムに関する。

メタリックケーブルに代わって高速大容量の情報を低損失で伝送することのできる光ファイバ通信が注目され、光デバイスの低価格化と共に、高性能化及び小型化が、近年、ますます求められている。一方、光ファイバと受光素子又は発光素子との光軸調芯に高精度が要求されるため、レンズや光導波路などの高価な部品が必要となる。

従来、発光素子や受光素子にレンズ光学系を用いて、フェルール付きの光ファイバと結合した光モジュールが提案されている（例えば、下記の特許文献１参照。）。
図９はこの光モジュールの分解断面図であり、図１０はその組立状態を示した縦断面図である。これら各図において、発光素子３４はリード線３８が導出されたキャン型ＬＤ（Laser Diode・レーザダイオード）パッケージ３６に実装され、このキャン型ＬＤパッケージ３６内でボンディングワイヤ（図示せず）によってリード線３８に接続されている。キャン型ＬＤパッケージ３６の蓋の中心部にレンズ３５が装着されている。キャン型ＬＤパッケージ３６の蓋の部分が円筒状のハウジング３３の一端部に挿入される一方、軸心部に光ファイバが貫通されたフェルール３１が、保持部材を介して、フェルール用ホルダ３０及びスリーブ３２に挿嵌され、発光素子３４、レンズ３５及びフェルール３１に対して図示省略のＸＹＺの３軸に対して調芯された後、これらがＹＡＧレーザ溶接によって固定されている。フェルール３１の先端はフェルール用ホルダ３０による光レセプタクルになっている。キャン型ＬＤパッケージ３６から導出されたリード線３８は本体回路基板３７に接続される。

また、従来のもう１つの光モジュールとして、フェルール付きファイバと発光素子とをレンズを用いずに直接結合するものが提案されている（例えば、下記の特許文献２参照）。
図１１はこの光モジュールの概略構成を示す斜視図であり、図１２はこの光モジュールを本体回路基板に装着した場合の接続構造を示す斜視図である。これら各図において、フェルール付きファイバ５０はＳｉ基板５６上に形成されたV溝５１に装入され、ガラス基板５７を用いて固定されている。Ｓｉ基板５６上にアライメントマーカ５４が形成され、このアライメントマーカ５４を基準にして発光素子５２が高精度にてＳｉ基板５６上にダイボンディングされている。この場合、V溝５１の深さ及び位置は半導体プロセス技術を用いてフェルール付きファイバ５０の軸芯に一致させるように高精度に形成されている。発光素子５２の後方にはモニタ用ＰＤ（Photo Diode・フォトダイオード）５３が形成されている。Ｓｉ基板５６はモジュールパッケージ５５内に固定され、発光素子５２はボンディングワイヤによって、両側部に導出した接続端子５８に接続されている。このようにして実装された光モジュール５９が本体回路基板上に装着される。そして、光モジュール５９から突出するフェルール付きファイバ５０に対して、変換ファイバコード６０を介して、光コネクタアダプタ６１に接続される。
特開平１１−２１１９３７号公報 特開平１１−３２６７１３号公報

図９、図１０を用いて説明した従来の光モジュールは、小型のレセプタクル光モジュールであるが、ボンディングワイヤやリード線３８が長く、所要の高周波特性を確保しにくいという問題があった。また、レンズ３５などの部品点数が多く組立工程が煩雑になるという問題もあった。

一方、図１１、図１２を用いて説明した従来のもう１つの光モジュールは、レンズを用いない単純な光学系ではあるが、フェルール付きファイバ５０の部品が特殊形状をしているため、生産性が低く、また、光ファイバ芯線の先端部に欠けが生じやすく、実装時の取り扱いに十分過ぎるほどの注意を必要とした。さらに、発光素子５２と接続端子５８とがワイヤボンディングで接続される実装形式であるため、所要の高周波特性を確保しにくいという問題もあった。さらにまた、変換ファイバコード６０の着脱時には、フェルールの端面にかかった応力が光モジュール５９の接続端子５８にかかる構造になっているため、フェルールにかかる力が小さい特殊な光コネクタが必要になり、ＳＣコネクタ（ＪＩＳ Ｃ ５９７３）などの標準光コネクタに変換するための高価な変換ファイバコード６０が必要になる他、光ファイバの余長が必要になり、装置の小型化が困難になるという問題もあった。

本発明は上記の問題点を解決するためになされたもので、レンズを不要として構成の簡易化を図るとともに、光ファイバの端面の欠けなどを未然に防止し得る強度の高い光学系を有する光モジュールを提供することを目的とする。
本発明の他の目的は、高周波特性を向上させることのできる光モジュールを提供することにある。
本発明のもう１つ他の目的は、光コネクタの着脱時の応力の影響を受けにくい光モジュールを提供することにある。
本発明の他の目的は、上記の光モジュールを用いることにより価格を低減させることのできる光伝送装置、並びにこの光伝送装置を用いた光伝送システムを提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１に係る発明は、軸心部に光ファイバが貫通され、軸方向の一端に光ファイバの末端が揃えられた筒状部を有し、筒状部の一端部に光ファイバと略平行な平坦部が形成されたフェルールと、フェルールの平坦部に板面の一方の端部が固着された基板と、基板の板面の他方の端部に実装された発光素子又は受光素子と、光ファイバの末端と発光素子又は受光素子とを光学的に結合させる光学系とを備えた光モジュールである。
この構成により、レンズを不要として構成の簡易化を図るとともに、光ファイバの端面の欠けなどを未然に防止し得る強度の高い光学系を有する光モジュールを実現することができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光モジュールにおいて、発光素子は側面出射型で、受光素子は側面入射型であり、基板がガラスエポキシ基板、フレキシブルケーブル付き基板、セラミック基板のいずれか１つで構成したものである。
この構成により、発光素子又は受光素子を一体化した基板の本体電気回路基板に対する電気的接続が容易になるという利点がある。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載の光モジュールにおいて、受光素子は裏面入射型であり、表面が基板にフリップチップ実装される構成とする。
この構成により、光結合効率が高められるとともに、フリップチップ実装により高周波特性を向上させることができる。

請求項４に係る発明は、請求項１又は２に記載の光モジュールにおいて、発光素子が放熱用部材と一体的に結合されて基板に実装されるか又は受光素子が位置調整用の部材と一体的に結合されて基板に実装される構成とする。
この構成により、発光素子の放熱もしく位置調整が容易となり、出射特性及び信頼性が向上するという効果も得られる。

請求項５に係る発明は、請求項１から４のいずれか１つに記載の光モジュールにおいて、フェルールの他端部が光レセプタクルで構成されている。
この構成により、小型の光モジュールが実現され、これによって光コネクタ着脱時の応力の影響を受けにくくすることができる。

請求項６に係る発明は、請求項１から５のいずれか１つに記載の光モジュールにおいて、光学系は、透光性の樹脂で構成された本体部と、この本体部に被装された樹脂で構成された補強部とで構成されている。
この構成により、発光素子又は受光素子が実装されている基板とフェルールとの固定強度が増し、光軸の温度変動を小さくすることができるという効果も得られる。

請求項７に係る発明は、請求項１から６のいずれか１つに記載の光モジュールを用いた光伝送装置である。
この構成により、低価格の光モジュールを用いて低価格の光伝送装置が提供される。

請求項８に係る発明は、請求項７に記載の光伝送装置を用いた光伝送システムである。
この構成により、低価格の光伝送装置を用いて低価格の光伝送システムが提供される。

本発明によれば、レンズが不要とされるとともに、従来の光ファイバとの接続構造に比べてファイバの端面欠けなどがなく、強度の大きい光学系を有し、かつ、光コネクタ着脱時の応力の影響を受けにくい光モジュールを提供することができる。
また、本発明に係る光モジュールはレンズや光導波路などの高価な部品が不要とされるため、この光モジュールを用いることにより低価格の光伝送装置、並びにこの光伝送装置を用いた低価格の光伝送システムを提供することができる。

＜第１の実施の形態＞
以下、本発明を図面に示す好適な実施の形態に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る光モジュールの第１の実施の形態の構成を示す斜視図であり、図２はこの光モジュールの主要部の縦断面図である。これら各図において、フェルール１は軸心部に光ファイバ５が貫通され、軸方向の一端に光ファイバの末端が揃えられた筒状部１７を有し、この筒状部１７の一端部に光ファイバ５と略平行な平坦部１０が形成されている。このフェルール１の軸方向の他端にはコネクタ用部品１２が装着されている。そして、フェルール１の平坦部１０に、例えば、フレキシブルケーブル付き基板で構成される基板２の一端部が固着されている。この基板２の他端部における平坦部１０との対向面には、発光素子３、モニタ用ＰＤ４及びレーザドライバ９が光ファイバ５の光軸方向に順次並べて実装されている。この場合、発光素子３のベースは基板２のパターン配線に直接接続され、発光素子３の電極はボンディングワイヤ１６によって基板２のパターン配線に接続されている。平坦部１０と基板２とを固着させるとともに、互いに揃えられたフェルール１及び光ファイバ５の末端を含めて発光素子３、モニタ用ＰＤ４及びレーザドライバ９が透光性の樹脂接着剤８を用いて一体的に盛り固められ、この樹脂接着剤８が光学系を構成している。この光モジュールが本体電気回路基板１１上に装着され、基板２のケーブル（図示せず）が電気コネクタ１３に接続される。

ここで、発光素子３は側面出射タイプのもので構成され、その出射光を光ファイバ５の端部から入射させる。モニタ用ＰＤ４は側面入射タイプであり、発光素子３の後方からの出射光の一部を受光する。レーザドライバ９は発光素子３を駆動するもので、高周波特性を向上させるために発光素子３の近くに配置されている。樹脂接着剤８を用いて基板２をフェルール１の平坦部１０に固定する場合には、発光素子３を発光させた状態で光ファイバ５の端面に近づけて、レンズを用いることなく、アクティブアライメント調整をして固定する。この際、発光素子３としてファブリペローレーザを用いると、より高い結合効率が実現できる。樹脂接着剤８としては、光ファイバ５と発光素子３とを結合する部分にＵＶ（Ultra Violet）熱併用型硬化接着剤を用い、それ以外の部分にはガラスフィラーなどの入った熱膨張率の小さい接着剤を用いることによって、温度変動に対して発光素子３の光軸のずれを抑制することができる。

第１の実施の形態を構成する基板２は５０Ωに設計されたマイクロストリップラインの出力信号ラインを含む多層構造になっており、高周波電気信号を低損失で伝達させることができる。一方、フェルール１の他端には、簡易ＳＣコネクタなどの光コネクタアダプタが直接接続できるコネクタ用部品１２が圧入されていてレセプタクル構造になっている。

このように、図１、図２に示した第１の実施の形態によれば、レンズを不要として構成の簡易化が図られるとともに、光ファイバの端面の欠けなどを未然に防止し得る強度の高い光学系を有する光モジュールを実現することができる。また、基板２として、フレキシブルケーブル付き基板を用いたので、光コネクタの着脱時に発光素子３と光ファイバ５との光学系には応力がかからない構成になっている。したがって、光コネクタアダプタは本体電気回路基板１１上に限らず、装置の筐体に固定することもできる。

＜第２の実施の形態＞
図３は本発明に係る光モジュールの第２の実施の形態の構成を示す縦断面図であり、第１の実施の形態を示した図１、図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。第２の実施の形態は基板２に発光素子３のみを実装し、図示省略のモニタ用ＰＤ４及びレーザドライバ９はその近傍の、例えば、本体電気回路基板１１に実装する場合を示している。

この第２の実施の形態によれば、レンズを不要として構成の簡易化を図るとともに、光ファイバの端面の欠けなどを未然に防止し得る強度の高い光学系を有する光モジュールを実現することができる。また、基板２として、フレキシブルケーブル付き基板を用いたので、光コネクタの着脱時に発光素子３と光ファイバ５との光学系に応力がかかることもなくなる。

＜第３の実施の形態＞
図４は本発明に係る光モジュールの第３の実施の形態の構成を示す縦断面図であり、図２又は図３と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。第３の実施の形態は、光ファイバ５を伝達してきた光を受光するもので、光ファイバ５及びフェルール１の端面は、光ファイバ５の中心軸、すなわち、光軸に直交する面に対してα＝約８度だけ傾斜させて研磨されている。なお図４では、わかりやすいようにαを８度以上として示している。基板２上には裏面入射型の受光素子７とプリアンプ１４がフリップチップ実装されている。受光素子７はＰＮ電極面が共に表面にある裏面入射型の受光素子であり、半田バンプなどを介して、基板２上にフリップチップ実装される。Ｚ軸となる光軸に直交する面に対して約８度の傾斜を持たせて研磨された光ファイバ５の端面から光を出射させ、その端面を受光素子７の裏面に近づけて受光素子７の光電流が最大になるように、ＸＹ軸をアクティブアライメント調整をした後、ＵＶ硬化樹脂などの透光性の接着剤で固定し、この接着剤を光学系としたものである。

フリップチップ実装ではボンディングワイヤなどがないため、受光素子７の裏面に接近させることができ、レンズがなくとも高い光結合効率を確保することができる。また、固定用の樹脂を基板２の下面とフェルール１の端面との間に広く充填させることによって、接触面積を大きくすることができ、受光素子７の結合部の機械的強度も向上される。また、受光素子７全体が樹脂で覆われる構造となるため、対湿性が確保される。さらに、受光素子７をフリップチップ実装した後、受光素子７と基板２との間に封止樹脂を充填しておけば、対湿性がより向上する。

なお、フレキシブルケーブル付き基板とフェルール１とを固定するための接着剤は、硬化時間の短いＵＶ硬化樹脂を用いることが好ましい。しかし、フェルール１がガラス製などでない場合にはＵＶ光が当たらない部分が存在するので、ＵＶ硬化と熱硬化併用型の樹脂を用いる。

この第３の実施の形態によれば、レンズを不要として構成の簡易化を図るとともに、光ファイバの端面の欠けなどを未然に防止し得る強度の高い光学系を有する光モジュールを実現することができる。また、基板２として、フレキシブルケーブル付き基板を用いたので、光コネクタの着脱時に発光素子３と光ファイバ５との光学系には応力がかからない構成になっている。したがって、光コネクタアダプタは本体電気回路基板１１上に限らず、装置の筐体に固定することもできる。

＜第４の実施の形態＞
図５は本発明に係る光モジュールの第４の実施の形態の構成を示す縦断面図であり、図中、第１の実施の形態を示す図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。第４の実施の形態は図２に示した発光素子３をヒートシンク６と半田又は接着剤によって一体化し、モニタ用ＰＤ４を発光素子３の出射光との位置を調整する位置調整用台１８と半田又は接着剤によって一体化した後、基板２に実装する。これ以外は図２とすべて同一に構成されている。

この第４の実施の形態によれば、第１の実施の形態で説明した効果の他に、発光素子３の放熱及び位置調整が容易となり、出射特性及び信頼性が向上するという効果も得られる。

＜第５の実施の形態＞
図６は本発明に係る光モジュールの第５の実施の形態の構成を示す縦断面図であり、図中、第１の実施の形態を示す図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。第５の実施の形態は発光素子３が実装される面とは反対側の基板面にヒートシンク６を装着したもので、第１の実施の形態に比較して発光素子３の温度上昇を低く抑えることができ、さらに、図５に示した第４の実施の形態と比較してより外形寸法の大きなヒートシンク６により放熱性能を一層高めることができる。

＜第６の実施の形態＞
図７は本発明に係る光モジュールの第６の実施の形態の構成を示す縦断面図であり、図中、第１の実施の形態を示す図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。第６の実施の形態は、光ファイバ５に光を入射させる側のフェルール１の端面を、図中に角度αで示したように、図７では図示省略されている光ファイバ５の中心軸、すなわち、光軸に直交する面に対して約８度だけ傾斜させて研磨したものである。なお図７では、わかりやすいようにαを８度以上として示している。これによって、フェルール１の端面で反射する光の影響を除去することができる。

＜第７の実施の形態＞
図８は本発明に係る光モジュールの第７の実施の形態の構成を示す縦断面図であり、図中、第１の実施の形態を示す図２と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。第７の実施の形態は、フェルール１及び光ファイバ５と、基板２と、発光素子３、モニタ用ＰＤ４及びレーザドライバ９とを接着剤８にて結合して光学系を形成した後、この光学系を含むフェルール１の端部全体を第２の接着剤１５で被覆して補強部としたものである。この場合、接着剤８は硬化時間の短いＵＶ硬化樹脂を用いることが望ましいが、フェルール１がガラス製などでない場合はＵＶ光が当たらない部分が存在するので、ＵＶ硬化と熱硬化との併用型の樹脂を用いる。

このように、第７の実施の形態によれば、発光素子３やモニタ用ＰＤ４が実装されている基板２とフェルール１との固定強度が高められ、光軸の温度変動を少なくすることができるという新たな効果も得られる。

なお、上述した第１から第７の実施の形態は基板２としてフレキシブルケーブル付き基板を用いたが、この代わりに、例えば、ガラスエポキシ基板やセラミック基板を用いても上述したのと略同様な効果が得られる。

また、上述した各実施の形態は従来装置と比較してレンズや光導波路などの高価な部品が不要とされるため、これらの実施の形態に係る光モジュールを用いることによって、低価格の光モジュールを用いて低価格の光伝送装置（図示せず）が提供される。また、この光伝送装置を用いることによって低価格の光伝送システム（図示せず）が提供される。

本発明の光モジュールは、レンズなどの高価な部品を必要としないので、光通信のための光伝送装置や光伝送システムに利用できる。

本発明に係る光モジュールの第１の実施の形態の構成を示す斜視図 図１に示した光モジュールの主要部の縦断面図 本発明に係る光モジュールの第２の実施の形態の縦断面図 本発明に係る光モジュールの第３の実施の形態の縦断面図 本発明に係る光モジュールの第４の実施の形態の縦断面図 本発明に係る光モジュールの第５の実施の形態の縦断面図 本発明に係る光モジュールの第６の実施の形態の縦断面図 本発明に係る光モジュールの第７の実施の形態の縦断面図 従来の光モジュールの分解断面図 図９に示した光モジュールの組立状態を示した縦断面図 従来のもう１つの光モジュールの概略構成を示す斜視図 図１１に示した光モジュールを本体回路基板に装着した場合の接続構造を示す斜視図

符号の説明

１ フェルール
２ 基板
３ 発光素子
４ モニタ用ＰＤ
５ 光ファイバ
６ ヒートシンク
７ 受光素子
８ 樹脂接着剤（光学系）
９ レーザドライバ
１０ 平坦部
１１ 本体電気回路基板
１２ コネクタ用部品
１３ 電気コネクタ
１４ プリアンプ
１５ 第２の接着剤
１６ ボンディングワイヤ
１７ 筒状部
１８ 位置調整用台

Claims (8)

1. 軸心部に光ファイバが貫通され、軸方向の一端に前記光ファイバの末端が揃えられた筒状部を有し、前記筒状部の一端部に前記光ファイバと略平行な平坦部が形成されたフェルールと、前記フェルールの前記平坦部に板面の一方の端部が固着された基板と、前記基板の前記板面の他方の端部に実装された発光素子又は受光素子と、前記光ファイバの前記末端と前記発光素子又は前記受光素子とを光学的に結合させる光学系とを備えた光モジュール。
2. 前記発光素子は側面出射型で、前記受光素子は側面入射型であり、前記基板がガラスエポキシ基板、フレキシブルケーブル付き基板、セラミック基板のいずれか１つである請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記受光素子は裏面入射型であり、表面が前記基板にフリップチップ実装されている請求項１に記載の光モジュール。
4. 前記発光素子が放熱用部材と一体的に結合されて前記基板に実装されるか又は前記受光素子が位置調整用の部材と一体的に結合されて前記基板に実装されている請求項１又は２に記載の光モジュール。
5. 前記フェルールの他端部が光レセプタクルで構成された請求項１から４のいずれか１つに記載の光モジュール。
6. 前記光学系は、透光性の樹脂で構成された本体部と、前記本体部に被装された樹脂で構成された補強部とで構成されている請求項１から５のいずれか１つに記載の光モジュール。
7. 請求項１から６のいずれか１つに記載の光モジュールを用いた光伝送装置。
8. 請求項７に記載の光伝送装置を用いた光伝送システム。