JP2005284167A - 光通信モジュール - Google Patents
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Abstract
【課題】光通信モジュールにおいて、簡単な構成により、組立性の向上、電磁シールドの容易な構造、小型化、高速動作への対応、低コスト化を実現する。
【解決手段】受信用の光通信モジュール10は、受光素子1と、光ファイバ21が埋め込まれた金属フェルール2と、受光素子1の出力を処理するTIA素子3及びポストアンプ素子6と、これらを保持する立体成形回路基板4と、シールド部材5とを備える。立体成形回路基板4には、金属フェルール2が挿入される凹部41、受光素子1を実装するための配線パターン、TIA素子3を実装するための凹部42、及びTIA素子3とポストアンプ素子6を実装するための配線パターンが形成され、外周面に導体膜40が形成されている。凹部41は金属フェルール2と導電性部材43により、TIA素子3、ポストアンプ素子6、及び各配線パターンはシールド部材5により電磁シールドされる。
【選択図】図1
【解決手段】受信用の光通信モジュール10は、受光素子1と、光ファイバ21が埋め込まれた金属フェルール2と、受光素子1の出力を処理するTIA素子3及びポストアンプ素子6と、これらを保持する立体成形回路基板4と、シールド部材5とを備える。立体成形回路基板4には、金属フェルール2が挿入される凹部41、受光素子1を実装するための配線パターン、TIA素子3を実装するための凹部42、及びTIA素子3とポストアンプ素子6を実装するための配線パターンが形成され、外周面に導体膜40が形成されている。凹部41は金属フェルール2と導電性部材43により、TIA素子3、ポストアンプ素子6、及び各配線パターンはシールド部材5により電磁シールドされる。
【選択図】図1
Description
本発明は、光ファイバ応用通信分野における光通信モジュールに関する
従来から、光の送受信により通信を行う光トランシーバがあり、光トランシーバは、通常2つの光通信モジュールを有しており、1つは光ファイバによって伝送される光信号を受光素子により受光し電気信号に変換して出力する受光モジュールであり、他の1つは電気信号を発光素子により光信号に変換して光ファイバに投光する投光モジュールである。受光モジュールは、受光素子とTIA素子(トランスインピーダンスアンプIC、TIA:Trans-impedance Amplifier)を有するROSA(Receiver Optical Sub-Assembly)と呼ばれる小型光デバイスに、出力増幅と波形整形用のICを備えて構成される。投光モジュールは、発光素子とパワモニタ用光ダイオードとを有するTOSA(Transmitter Optical Sub-Assembly)と呼ばれる小型光デバイスに、発光素子駆動用ドライバICを備えて構成される。
図12は、従来のTOSAを示す。このTOSAは、光フィルタからなる透光窓104と電極ピンPNを備えた標準の金属パッケージ103に、発光素子101と、パワモニタ用の光ダイオード102を実装して構成されている。投光用の光ファイバの末端が、図の上方から接近配置され、発光素子101と光結合される。従来のROSAも、この金属パッケージ103と同様の金属パッケージに、受光素子とTIAを実装して構成され、光ファイバと光結合される。
図13は、従来のROSAとTOSAの他の例を示す(例えば、特許文献1参照)。図13(a)に示すROSAは、電極ピンPNの設けられたベース141に受光素子145とTIA素子146を実装し、これらの素子を球形レンズ144とレンズホルダ142で封止し、その上(図の上方)にスリーブ143を設けて構成されている。スリーブ143に設けられた中央の凹部140には、光ファイバに接続されたフェルールが挿入され、光ファイバに沿って矢印Pの方向から入射する光が受光素子145により受光される。
図13(b)に示すTOSAは、電極ピンPNの設けられたベース121に発光素子125とパワモニタ126を実装し、これらの素子を球形レンズ127とレンズホルダ122で封止し、その上(図の上方)に調芯部材123を介して、スリーブ124を設けて構成されている。スリーブ124に設けられた中央の凹部120には、光ファイバに接続されたフェルールが挿入され、発光素子125からの光が光ファイバに沿って矢印Qの方向に投光される。
上述したROSAやTOSAを組み合わせて光トランシーバとするため、プリント基板上に、受光側では出力増幅と波形整形用のICを実装し、投光側では発光素子駆動用の駆動ICを実装して、ROSAとTOSAの電極ピンPNがそれぞれプリント基板にハンダ付けされ、受光モジュールと投光モジュールが形成される。
特開2001−296457号公報
しかしながら、上述した、図12や図13に示されるようなROSAやTOSAは、それぞれ電極ピンPNが、光ファイバと反対側であって光ファイバと略同じ方向に設けられているので、光トランシーバを大型化させないように上述のROSAやTOSAをプリント基板に平行にハンダ付けして使用するには、電極ピンPNを曲げる必要がある。このような作業は、プリント基板へのICの実装とは異なり通常の自動化装置では行えず、人手によるしか適当な方法がない。
また、駆動ICは電流のON/OFFを行うので、ノイズを輻射し、出力増幅や波形整形用のICは扱う信号レベルが小さいので、電磁ノイズの影響をを受けやすい。そこで、プリント基板上の出力増幅や波形整形用のIC、発光素子駆動用の駆動ICを電磁シールドする必要があるが、各ICを覆うようにプリント基板の両面にシールド板を設置する場合、これらの設置も手作業によりハンダ付けする必要がある。
本発明は、上記課題を解消するものであって、簡単な構成により組立性の向上、電磁シールドの容易な構造、小型化、高速動作への対応、低コスト化を実現できる光通信モジュールを提供することを目的とする。
上記課題を達成するために、請求項1の発明は、発光素子又は受光素子と、発光素子からの光を投光し、又は受光素子に入光させる光ファイバとを有した光通信モジュールにおいて、前記光ファイバが埋め込まれ、両端が研磨された金属フェルールと、前記発光素子を駆動し、又は前記受光素子の出力を処理する信号処理ICと、前記金属フェルールが挿入される凹部、その凹部に前記発光素子又は受光素子を実装するための光学素子配線パターン、及び前記信号処理ICを実装するためのチップ配線パターンが形成され、少なくとも前記両配線パターンが形成された領域を除く外周面に導体膜が形成されている立体成形回路基板と、少なくとも前記信号処理IC及び前記両配線パターンを被うようにして電磁的にシールドするシールド部材と、を備え、前記金属フェルールを導電性部材により前記導体膜に電気接続するとともに固定し、前記シールド部材を前記導体膜に電気接続しているものである。
請求項2の発明は、請求項1に記載の光通信モジュールにおいて、前記金属フェルールの発光素子側の端面が斜めに研磨されているものである。
請求項3の発明は、請求項1に記載の光通信モジュールにおいて、前記金属フェルールは、前記凹部に挿入される外径の太い部分と、外部から接続される光コネクタのフェルール径に合わせた外径の細い部分との段付き形状を有するものである。
請求項4の発明は、請求項1に記載の光通信モジュールにおいて、発光素子、受光素子、信号処理ICのいずれか又は全てをフリップチップ実装したものである。
請求項5の発明は、請求項1に記載の光通信モジュールにおいて、前記発光素子又は受光素子はそれぞれアレイ状に配列された発光部又は受光部を有し、前記金属フェルールは前記発光部又は受光部のピッチと同じピッチの配列に光ファイバが埋め込まれているものである。
請求項1の発明によれば、外周面に導体膜の形成された立体成形回路基板(MID:Molded Interconnect Devices)を用いるので、光学素子(発光素子、受光素子)やICを電磁シールするのに容易な構造を持たせてROSAやTOSAを構成でき、TOSA/ROSAの手実装やシールド板の手実装を削減できる。金属フェルールと導電性部材により、凹部に実装された光学素子を電磁シールドでき、また、立体成形回路基板に配線パターンを設け、これにより信号処理ICなどを光学素子と電気接続できるので、従来の電極ピンなどを用いる電気接続に比べ、自動化が容易であり、光通信モジュールの小型化も可能となる。
請求項2の発明によれば、フェルール端面の傾斜面によりフェルール端面からの反射光が発光素子へ戻るのを防止して発光素子の不安定動作を防止するとともに、反射光をオートパワーコントロールを行うためのモニタ光として用いることができる。傾斜面が反射板の役目をするので、従来TOSAのような専用反射板が不要になる。
請求項3の発明によれば、立体成形回路基板に設けた凹部の内径を光コネクタのフェルール径として規格化された径の大きい径に合わせている場合、段付き形状を有する金属フェルールにより小さな径の光コネクタのフェルールに対応できる。例えば、φ2.5mmの径のフェルールに凹部の内径を対応させている場合、φ1.25mmの径のフェルールにも対応できる。また、凹部の内径を大きくできるので、凹部への光学素子の実装が容易である。
請求項4の発明によれば、配線のL(インダクタンス)成分を減らすことができ、信号伝送のより高速化が可能になる。
請求項5の発明によれば、マルチチャンネルタイプの光通信モジュールが簡易な構造で形成でき、組立の容易性が実現できる。
以下、本発明の一実施形態に係る光通信モジュールについて、図面を参照して説明する。図1、図2は本発明の光通信モジュール10を示す。光通信モジュール10には、受信用と送信用とがある。受信用の光通信モジュール10は、図1(a)(b)に示すように、光学素子である受光素子1と、受光素子1に入光させる光ファイバ21が埋め込まれ、両端面22,23が研磨された金属フェルール2と、受光素子1の出力を増幅及び波形処理する信号処理ICであるTIA素子3及びポストアンプ素子6と、これらを保持する立体成形回路基板4と、シールド部材5と、を備えている。金属フェルール2の外部からの光ファイバと光結合する端面22は、凸面研磨(PC研磨)されている。
立体成形回路基板4は、図1(a)に示すように、断面視で略L字型状をしており、その左右方向の左側が受光処理部に、右側が電気信号処理部になっている。受光処理部と電気信号処理部を形成するため、立体成形回路基板4には、金属フェルール2が挿入される凹部41、その凹部41に受光素子1を実装するための光学素子配線パターン(不図示)、TIA素子3を実装するための凹部42、TIA素子3とポストアンプ素子6をベアチップ実装するためのチップ配線パターン(不図示)、及び電気信号処理部の右端部に設けられた外部接続用導体パターン62が形成され、少なくとも前記配線パターンが形成された領域を除く外周面に導体膜40が形成されている。立体成形回路基板4は、3次元的な射出成形品の表面に電気回路を直接形成した回路部品(MID:Molded Interconnect Devices)である。導体膜40は、メッキ、スパッタ成膜、その他の膜形成方法により形成される。
受光素子1は、ベアチップからなり、凹部41の底部にチップボンディングされ、凹部41と凹部42の間の隔壁に設けた貫通ビア13に電気接続するように、金属線Wによって光学素子配線パターンにワイヤボンディングされている。TIA素子3は、受光素子1と同様に、ベアチップからなり、凹部42の底部にチップボンディングされ、貫通ビア13を介して受光素子1からの電気信号を受けるように、また、処理した信号をポストアンプ素子6に送るように、金属線Wによってチップ配線パターンにワイヤボンディングされている。TIA素子3は封止樹脂31により封止されている。
ポストアンプ素子6は、TIA素子3からの電気信号を増幅、波形整形するためチップ配線パターンに実装されている。ポストアンプ素子6は封止樹脂61により封止されている。ポストアンプ素子6からの出力信号は、外部接続用導体パターン62を介して、送信用の光通信モジュールなどに送られる。外部接続用導体パターン62は、ポストアンプ素子6の実装された立体成形回路基板4の上面(図の上面)から右側面、さらに下面に至るまで延伸されており、立体成形回路基板4をプリント配線基板に実装する際、プリント配線基板上の配線パターンにハンダ付けされる。
各素子の実装が行われた後、金属フェルール2を凹部41に挿入し、導電性部材43により導体膜40に電気接続するとともに固定する。また、図2(a)(b)に示すように、少なくとも、信号処理ICであるTIA素子3及びポストアンプ素子6、及び各配線パターンを被うように配置して電磁的にシールドするシールド部材5を導体膜40に電気接続して受信用の光通信モジュール10が形成されている。このように、立体成形回路基板4を用いることにより、簡単な構造のシールド部材5を用いて、電子回路の電磁シールドを容易に行うことができる。
上述の立体成形回路基板4の構造によると、受光素子1は、フェルールに金属性のものを用いて、フェルールを導電性部材43で固定することにより電磁シールドされるとともに封止される。受光素子1と金属フェルール2との光軸調整は金属フェルール2を立体成形回路基板4に固定する際に実施できる。固定のための導電性部材43は、ハンダ、Agペーストなどを用いることができる。ハンダを用いる場合、クリームハンダを塗布し、光軸調整を行い、金属フェルール2の位置が決まった時点で、例えば、加熱用の光ファイバを通してレーザ光により局部的にハンダを加熱して溶融させる方法により固定ができる。導電性接着剤を用いる場合、例えば、紫外線硬化タイプのものを用いることができる。
送信用の光通信モジュール10は、図1(c)に示すように、上述のTIA素子3がなく、また、光学素子である受光素子1と信号処理ICであるポストアンプ素子6に代わって、それぞれ発光素子1と発光素子駆動用の駆動素子6が実装されている。各素子の実装の方法や駆動素子6からの出力信号を外部接続用導体パターン62を介して受信用の光通信モジュールなどに送る点などは、上述した受信用の光通信モジュール10における場合と同様である。また、金属フェルール2の固定やシールド部材5の取付についても上述同様に行われる。
上述の構造を取ることにより、光学素子(発光素子、受光素子)と金属フェルールの光ファイバとの位置決め固定、信号処理ICと光学素子の実装構造、電磁シールド構造を一体化して作成できる。従って、従来の、TOSA/ROSA、プリント基板上のIC、電磁シールド構造を一体化した構造となり、組立も簡略化され光通信モジュールの低コスト化を実現できる。
光通信モジュール10は、受信用と送信用ともに、図2(b)に示す外形をしている。その寸法は、例えば、金属フェルール2の外径が2.5mmの場合、立体成形回路基板4の縦寸法a、横寸法bが、それぞれ5mm前後、長さ寸法cが9mm前後となっている。
次に、上述の光通信モジュール10を用いた光トランシーバについて、図3、図4を参照して説明する。光トランシーバは、図3(a)に示すように、送信用と受信用の光通信モジュール10各1箇と、これらを搭載するプリント基板7と、プリント基板に実装されたインターフェースIC素子71と、これらを収納する上ケース81及び下ケース82からなる金属又はプラスチックに金属メッキが施されたケース8と、を備えている。
光トランシーバにおける受信用の光通信モジュール10は、図4に示すように、プリント基板7に接着材やハンダなどにより固定され、外部接続用導体パターン62とプリント基板7に設けられた回路パターン(不図示)にハンダ接続される。また、各光通信モジュール10は、プリント基板7に実装されたインターフェースIC素子71を介して互いに接続され、さらに配線パターン72を介して光トランシーバの外部へと電気接続される。また、光通信モジュール10をケース8に収納するとき、光通信モジュール10とシールド部材5とケース8との電気的接続を行い、電磁シールドを確実にするため、光通信モジュール10の上部と上ケース81の間に弾性力を有するメッシュやスプリングからなる導通用部材51を設けている。送信用の光通信モジュール10の場合も、受信用の場合と同様である。
上ケース81及び下ケース82は、各光通信モジュール10の金属フェルール2に割スリーブ24を挿入し、それらを上下から挟み込み、外部から接続される光コネクタを接続する接続構造(SCタイプ、FCタイプ、LCタイプなど規格化されている)となる突出部83,84を有している。この突出部83,84は、突出せずに上ケース81、下ケース82内に納めることもできる。組み立てられた光トランシーバは、図3(b)に示すように、一方方向に外部の光ファイバを接続する口を有する直方体形状をしており、多数箇の光トランシーバを並列して配置するのに適した構造に成っている。
次に、金属フェルール2の発光素子側端面23について、図5を参照して説明する。送信用の光通信モジュール10における発光素子側端面23は、光軸に直交する方向からの角度θを有する端面となるように斜めにカットして研磨することにより、発光素子1からのレーザ光が端面23で反射して発光素子1に戻る光を抑制し、戻り光による発光素子1の発振の不安定を防ぐことができる。また、発光素子1の横に受光素子を実装(不図示)して、端面23からの反射光をこの受光素子に入射させて発光のオートパワーコントロールを実現することができる。すなわち、斜めの端面23に反射板の役目を兼ねさすことができる。角度θは、例えば4゜〜8゜の角度とされる。また、受信用の光通信モジュール10を示すいずれの図においても、金属フェルール2の受光素子1側の端面23を受光素子1に正対させているが、上記同様に端面23を斜めにすると、受光素子1からの反射光が光ファイバ21に戻るのを防止でき、信号のS/N比が低下するのを防止できる。
次に、受信用の光通信モジュール10における信号処理ICの実装について、図6を参照して説明する。TIA素子3は、ベアチップ実装が一般的である。ポストアンプ素子6は、ベアチップタイプとモールドタイプの2種類がある。どちらも性能的には同等であり、構造と実装の兼ね合いから使いやすいほうが選択される。本光通信モジュール10の構造においては、どちらのタイプによっても対応が可能である。上述したいずれの図においてもベアチップタイプのポストアンプ素子6を実装した様子を示している。図6に示す光通信モジュールは、ポストアンプ素子6に外部電極Lを有するモールドタイプのものをハンダ付け実装した例である。また、TIA素子3とポストアンプ素子6とが一体となったチップ素子もあり、その場合はTIA素子3の位置に実装される。また、TIA素子3とポストアンプ素子6とが一体となっていなくても、ポストアンプ素子6のチップが小さい場合は、TIA素子3と同一面に実装することもでき、封止作業がやりやすくなる利点がある。
次に、外部から光通信モジュール10に接続する光ファイバフェルールのサイズが小さい場合に対応例を、図7を参照して説明する。外部からの光ファイバのフェルールとして、φ1.25mmタイプを使ったトランシーバの場合、立体成形回路基板4に設けた金属フェルール2を挿入固定するための凹部41をφ1.25mmとすると、凹部41に光学素子を実装するのに支障が生じる。そこで、金属フェルール2を段付きタイプとし、外部から光ファイバを接続する側のサイズd2はφ1.25mmとし、立体成形回路基板4に実装する部分のサイズd1は大きくして、凹部41を大きくする。このような対応は、金属フェルール2を使用するメリットであり、従来用いられている一般的なジルコニアフェルールではこのような段付きフェルールを高精度に加工できない。
次に、TIA素子3をフリップチップ実装する例を、図8を参照して説明する。高周波信号を扱う回路において、L成分(インダクタンス成分)などの信号遅延に関わる配線長を短くすることにより高周波特性を改善することができる。対象とする信号の周波数が3Gbps程度の伝送を行う光送受信器では、ワイヤボンディングに用いる金属線長を2〜3mm程度に短くする必要があり、図8に示すように、受光素子1とTIA素子3をそれぞれバンプBによりフリップチップ実装する構成は特性改善に有効である。受光素子3として、例えば、GaAs半導体を用いたフォトダイオードのように片側面にP型、N型の電極を構成したものを用いることによりフリップチップ実装が可能である。また、光学素子をフリップチップ実装する場合、金属フェルール2側にワイヤボンディング用の金属線が介在しないので、光学素子の発光面や受光面と金属フェルールの端面をより接近させることができる。
次に、上述した立体成形回路と異なる形状の立体成形回路基板を用いる例を、図9、図10を参照して説明する。光学素子や信号処理ICを実装する立体成形回路基板の形状は、図9に示すように、外周面に導体膜40を有する直方体の対面する2面に凹部41,42を設け、受信用の光通信モジュール10の場合、凹部41に受光素子1を実装し、凹部42の同じ面にTIA素子3とポストアンプ素子6を実装し、凹部41側は金属フェルール2により、また、凹部42側はシールド部材5により電磁シールドする形態とすることができる。特に、TIA素子3とポストアンプ素子6が1チップ化したものを用いる場合、より小型化が可能である。
また、図10に示すように、凹部41において、受光素子1の横にTIA素子3を実装して、高周波特性を向上させることもできる。図9、図10に示す方法は、受信用の光通信モジュールの場合と同様に、送信用の光通信モジュールに対しても適用することができる。この場合、上述の受光素子1の代わりに発光素子1が、ポストアンプ素子6の代わりに駆動素子6が用いられる。図10に示すTIA素子3の代わりに、パワモニタ用の光ダイオードを用いることができる。
次に、マルチチャンネルタイプの光通信モジュール10について、図11を参照して説明する。この光通信モジュールは、外周面に導体膜40を有する直方体の対面する2面に直方体形状の凹部41,42を設け、凹部41に複数の発光部14又は受光部14をアレイ状に配列した光学素子1(発光素子又は受光素子)を実装し、凹部42に複数の信号処理IC用の素子3を実装し、凹部41側は発光部14又は受光部14のピッチと同じピッチの配列に光ファイバ21が埋め込まれ金属フェルール2により、また、凹部42側はシールド部材5により電磁シールドするものである。
光学素子1は半導体プロセスにて作成されるので、各発光部14又は受光部14の配列ピッチの精度はサブミクロンの精度が可能である。また、金属フェルール2も、サブミクロンのピッチ精度を持たせて光ファイバを埋め込むことができる。外部から接続される光ファイバアレイ用の光ファイバコネクタは、例えばJISにてF12、F13型コネクタとして規格化されており、それらに合わせて金属フェルール2を作成すればよい。光軸合わせは、金属フェルール2に配列した光ファイバ21の両端の光ファイバ出力をモニタしながら行うことにより、光学素子1におけるすべての発光部14又は受光部14との調芯が完了する。図では4芯の例を示しているが、8芯や12芯などのマルチチャンネルタイプの光通信モジュール10同様に製作可能である。金属フェルール2における左右の穴25は、コネクタ接続時のアライメント用穴として用いられる。
また、発光部14又は受光部14が互いに近接した光学素子の構造においては、GaAs半導体素子のようにワイヤボンドを使わない素子をフリップチップ実装して用いることにより、光ファイバと光学素子との距離を小さくでき、光の発散による互いのクロストークを防止できる。発光素子の場合、VCSELのように光の放射角の狭いものを使用すれば、さらに効果的にクロストークを防止できる。なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。
1 光学素子(発光素子、又は受光素子)
2 金属フェルール
3 TIA素子(信号処理IC)
4 立体成形回路基板
5 シールド部材
6 ポストアンプ素子(受信用信号処理IC)
6 駆動素子(送信用信号処理IC)
10 光通信モジュール
14 発光部又は受光部
21 光ファイバ
23 端面
40 導体膜
41 凹部
43 導電性部材
2 金属フェルール
3 TIA素子(信号処理IC)
4 立体成形回路基板
5 シールド部材
6 ポストアンプ素子(受信用信号処理IC)
6 駆動素子(送信用信号処理IC)
10 光通信モジュール
14 発光部又は受光部
21 光ファイバ
23 端面
40 導体膜
41 凹部
43 導電性部材
Claims (5)
- 発光素子又は受光素子と、発光素子からの光を投光し、又は受光素子に入光させる光ファイバとを有した光通信モジュールにおいて、
前記光ファイバが埋め込まれ、両端が研磨された金属フェルールと、
前記発光素子を駆動し、又は前記受光素子の出力を処理する信号処理ICと、
前記金属フェルールが挿入される凹部、その凹部に前記発光素子又は受光素子を実装するための光学素子配線パターン、及び前記信号処理ICを実装するためのチップ配線パターンが形成され、少なくとも前記両配線パターンが形成された領域を除く外周面に導体膜が形成されている立体成形回路基板と、
少なくとも前記信号処理IC及び前記両配線パターンを被うようにして電磁的にシールドするシールド部材と、を備え、
前記金属フェルールを導電性部材により前記導体膜に電気接続するとともに固定し、前記シールド部材を前記導体膜に電気接続していることを特徴とする光通信モジュール。 - 前記金属フェルールの発光素子側の端面が斜めに研磨されていることを特徴とする請求項1に記載の光通信モジュール。
- 前記金属フェルールは、前記凹部に挿入される外径の太い部分と、外部から接続される光コネクタのフェルール径に合わせた外径の細い部分との段付き形状を有することを特徴とする請求項1に記載の光通信モジュール。
- 発光素子、受光素子、信号処理ICのいずれか又は全てをフリップチップ実装したことを特徴とする請求項1に記載の光通信モジュール。
- 前記発光素子又は受光素子はそれぞれアレイ状に配列された発光部又は受光部を有し、
前記金属フェルールは前記発光部又は受光部のピッチと同じピッチの配列に光ファイバが埋め込まれていることを特徴とする請求項1に記載の光通信モジュール。
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