JP2006039563A - アライメント用結合機構を備えたオプトエレクトロニクス組立部品 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、アクティブ・アライメントを使うことなく光源からの光を正確にターゲットに収束させることができるオプトエレクトロニクス組立部品を提供することを目的としている。
【解決手段】本発明は、アライメント特徴部を有する基板と、基板上にあるオプトエレクトロニクス・トランスデューサと、オプトエレクトロニクス・トランスデューサに形成された立脚構造体と、立脚構造体により支持されている第一のレンズと、基板のアライメント特徴部と結合する対応アライメント特徴部を有するＯＬＥと、ＯＬＥの第二のレンズとを有し、アライメント特徴部と対応アライメント特徴部が結合して、第二のレンズが第一のレンズにアライメントされるようにしたオプトエレクトロニクス組立部品である。
【選択図】図２

Description

光信号は、通信ネットワークでのデータ伝送用に益々利用されるようになって来た。これらの通信ネットワークでは、オプトエレクトロニクス・モジュール（光送信機、光受信機及び光送受信機等）が光信号の送受信に使用されている。

光信号を適正に通信ネットワークを通じてルーティングするために、オプトエレクトロニクス・モジュールにおいては、光源（送信機中のレーザー、或いは受信機中の光ファイバ）が高い精度でレンズ及びターゲット（送信機中の光ファイバ、或いは受信機中のフォトダイオード）に対してアライメントされていなければならない。

図１は、従来のオプトエレクトロニクス送信機１１内の光学経路を示す図である。オプトエレクトロニクス送信機１１は、レーザー１３、接続光学部品１５及び光ファイバ１７を含んでいる。接続光学部品１５は、レーザー１３からの光を受け、それを光ファイバ１７上へと収束させる。接続光学部品１５は第一のレンズ面１９と第二のレンズ面２１を含む単一ユニットである。接続光学部品１５の位置決めは、第一のレンズ面１９をレーザー１３に対してアライメントすると同時に第二のレンズ面２１を光ファイバ１７に対してアライメントしなければならないことから難しいものである。

このことから、光源からの光が正確にターゲット上へ収束するように、各部品を注意深く配置するアクティブ・アライメントが必要とされている。例えば、オプトエレクトロニクス送信機１１のアクティブ・アライメントにおいては、接続光学部品１５と光ファイバ１７の配置が調節される間、レーザー１３にスイッチが入れられている。光ファイバ１７が受ける光信号の強さが測定される。測定された光強さが最高レベルになっている場合、レーザー１３、接続光学部品１５及び光ファイバ１７のアライメント状態が最適であると判断される。この時点でレーザー１３、接続光学部品１５及び光ファイバ１７の位置がそれぞれに対して固定される。

アクティブ・アライメントは時間と費用がかかるものである。このアライメントをするには、高精度な機械装置が必要であると共に、システムに電力を供給して監視するオプトエレクトロニクス試験装置も要するのである。

本発明は、アクティブ・アライメントを使うことなく光源からの光を正確にターゲットに収束させることができるオプトエレクトロニクス組立部品を提供することを目的としている。

本発明の一態様によれば、オプトエレクトロニクス組立部品は、光源からの光を平行化する為の第一のレンズと、ターゲット上へその平行化された光を集束させる為の第二のレンズを備えたレンズ系を利用するものである。第一のレンズは光源に対して定まった位置に配置されており、そして第二のレンズはターゲットに対して定まった位置に配置されている。第一及び第二のレンズは双方を結合するように設計されている特徴部を有する部品を使ってアライメントされる。

本発明の具体的な実施形態として、基板に結合されている光学レンズ素子（ＯＬＥ）を備えたオプトエレクトロニクス組立部品が挙げられる。基板はトランスデューサ、そのトランスデューサ上にある立脚構造体、トランスデューサ上にある立脚構造体により支持されるトランスデューサ・レンズ、及びアライメント特徴部を備えている。ＯＬＥはＯＬＥレンズと、基板上のアライメント特徴部と結合する対応アライメント特徴部を備えている。基板がＯＬＥへと結合されると、トランスデューサ・レンズがＯＬＥレンズとアライメントされる。

一実施形態においては、基板上のアライメント特徴部はプラグであり、ＯＬＥ上の対応アライメント特徴部はソケットである。他の実施形態においては、基板上のアライメント特徴部はソケットであり、ＯＬＥ上の対応アライメント特徴部はプラグである。

本発明の更なる特徴及び利点は、本発明の好適な実施形態の構造及び作用と共に、添付図面を参照しつつ説明する以下の詳細に記載されている。

添付図面はその寸法通りに描かれたものではない。また、異なる図面において付した同じ参照符号は、同様又は同一の要素を示すものである。

図２は本発明の教示に基づいて作られたオプトエレクトロニクス組立部品３１の一実施形態を描いたものである。オプトエレクトロニクス組立部品３１は基板３５と結合した光学レンズ素子（ＯＬＥ）３３を備えている。

図３Ａ〜図３Ｃは、ＯＬＥ３３を異なる方向から見た場合の図である。ＯＬＥ３３はＯＬＥレンズのアレイ５５と、ＯＬＥ３３を基板３５へとアライメントするオス型アライメント特徴部とを含んでいる。一実施形態においては、アライメント特徴部はＯＬＥ３３から突出したプラグ５９であり、ＯＬＥ３３の一体的な部品として形成されている。図３Ｃにおいては２本のプラグ５９しか図示していないが、同じアライメント機能を得る為に最少で１本、多ければ２本以上のアライメント特徴部を採用することが出来る。

ＯＬＥ３３におけるＯＬＥレンズ５５の位置は、プラグ５９の位置に対し固定されている。出来れば、ＯＬＥレンズ５５はＯＬＥ３３と一体的に形成されることが望ましい。一実施形態においては、ＯＬＥ３３及び一体型ＯＬＥレンズ５５はウルテム又は同様の透光性材料でモールディング成形することが出来る。また、ＯＬＥレンズ５５は別個の部品として成形した後にＯＬＥ３３へと取り付けたものであっても良い。

タブ５７がＯＬＥ３３から突出しているが、これはＯＬＥ３３が基板３５へと組み付けられる際に、ＯＬＥレンズ５５を基板３５から所定の距離維持させるのに使うことが出来る。しかしながら、ＯＬＥレンズ５５の基板３５からの距離は、以下に説明するが、ＯＬＥ３３の設計にとって重要ではない。

ＯＬＥ３３は光ファイバ・フェルール（図示せず）と結合する為のコネクタ６１を含んでいる。コネクタ６１はＯＬＥレンズ５５に対して位置決めされて配置されている。光ファイバ・フェルールがコネクタ６１へ接続されると、光ファイバ・フェルール中のファイバはＯＬＥ３３のＯＬＥレンズ５５へアライメントされることになる。コネクタ６１はポストとして図示されているが、これは他のタイプのコネクタであっても光ファイバ・フェルールと適合させることは出来る。一実施態様としては、オプトエレクトロニクス組立部品３１と共に使用するファイバがマルチモード・ファイバである。

図４Ａ〜図４Ｂは、基板３５を描いたものである。基板３５は、プリント回路基板、フレキシブル・プリント回路基板、セラミック、シリコン、ステンレス鋼リードフレーム、又は同様の基板とすることが出来る。基板３５は、ＯＬＥ上のオス型のアライメント特徴部と結合するメス型の対応アライメント特徴部を備えている。一実施形態においては、対応アライメント特徴部は基板３５に設けたソケット５１である。図４Ａ、４Ｂにおいては、ソケット５１は２つしか図示していないが、同じアライメント機能を得る為に最少で１つ、多ければ２つ以上の対応アライメント特徴部を設けることも出来る。

オプトエレクトロニクス・トランスデューサ４３（以下、トランスデューサ）の列であるアレイが、基板３５上に配置されている。トランスデューサ４３は、光源（レーザー等）又はフォトデテクタ（フォトダイオード等）とすることが出来る。本発明の一実施形態としては、トランスデューサ４３の各々は垂直共振器表面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）である。図４Ａ、図４Ｂにおいては、複数のトランスデューサ４３が図示されているが、本発明はトランスデューサを１つしか持たない実施形態も含むものである。トランスデューサ４３は、ソケット５１に対して固定された位置にある。

トランスデューサ４３の各々は、その表面上に形成された立脚構造体４５を有している。トランスデューサ・レンズ４７は各立脚構造体４５に取り付けられており、各トランスデューサ４３の活性領域（トランスデューサ４３の発光部分又は光検出部分）の所定位置に保持されている。立脚構造体４５は、活性領域が高い精度でトランスデューサ・レンズ４７の焦点に入るように設計されている。本発明の一実施形態として、トランスデューサ・レンズ４７はボールレンズである。

立脚構造体４５とトランスデューサ・レンズ４７とを高い精度で配置できるように、立脚構造体４５は一般に半導体の製造及び加工に用いられるフォトリソグラフィ技術を用いて形成される。立脚構造体は、フォトレジスト、ポリイミド、或いはフォトリソグラフィ技術による形成及びパターニングが可能な他の材料で形成することが出来る。

図２及び図５Ａ〜図５Ｂは、オプトエレクトロニクス組立部品３１を形成する為に基板３５の対応アライメント特徴部に結合されるＯＬＥ３３のアライメント特徴部を示している。一実施形態においては、ＯＬＥ３３のプラグ５９が基板中のソケット５１と固く結合することによりＯＬＥ３３が基板３５に保持される。この結合はスナップフィット、スリップフィット又はプレスフィット結合とすることが出来る。ＯＬＥ３３が基板３５と結合すると、ＯＬＥレンズ５５の各々はオプトエレクトロニクス・トランスデューサ４３の１つ及びトランスデューサ・レンズ４７の１つとアライメントされる。

図５Ｃは、図５Ｂに点線で示した四角部分６３の分解図である。光学経路７３の一例を説明する為に、この図には光ファイバ７１が付加されている。Ｘ、Ｙ及びＺ軸の方向は、図５Ｃに示した通りである。Ｙ軸は図の平面中になく、図の平面に対して垂直方向にある。

オプトエレクトロニクス組立部品３１は、トランスミッタ又はレシーバとすることが出来る。オプトエレクトロニクス組立部品３１がトランスミッタである場合、トランスデューサ４３はレーザーダイオード等の光源である。トランスデューサ・レンズ４７はトランスデューサからの光を平行化し、ＯＬＥレンズ５５はそれをターゲットとなる光ファイバ７１に収束させる。オプトエレクトロニクス組立部品３１がレシーバである場合、トランスデューサはＰＩＮフォトダイオード等のフォトデテクタであり、各部品の機能は逆のものとなる。即ち、光ファイバ７１が光源として作用し、ＯＬＥレンズ５５が光ファイバ７１から放出される光を平行化し、そしてトランスデューサ・レンズ４７がその平行化された光をターゲットとなるトランスデューサ４３に収束させるのである。

先にも述べたように、トランスデューサ・レンズ４７は立脚構造体４５により既に高い精度でトランスデューサ４３とアライメントされている。この結果、トランスデューサ・レンズ４７とＯＬＥレンズ５５との間のアライメントには、より大きな誤差範囲が許されることになる。更には、光線７３はトランスデューサ・レンズ４７とＯＬＥレンズ５５の間では平行化されている。トランスデューサ・レンズ４７とＯＬＥレンズ５５のＸ−Ｙ平面におけるアライメントがわずかにずれていたとしても、わずかな光は喪失されるが、光信号がターゲットに対して収束される点に変わりは無い。最後に、光線７３は２つのレンズ間においては平行化されていることから、トランスデューサ・レンズ４７とＯＬＥレンズ５５間の距離はあまり重要ではないのである。

この二レンズ系は、アクティブ・アライメントを用いないで、ＯＬＥ３３を基板３５に結合するのに十分な許容誤差範囲をオプトエレクトロニクス組立部品３１に与えるものである。許容誤差の大きさは必要とされるカップリング効率に応じて異なる。より低速な、或いはより短距離のアプリケーションでは、より大きい誤差範囲が許される一方、より高速、或いはより長距離のアプリケーションでは、誤差範囲はより厳しくなる。

図６Ａ〜図６Ｂは、本発明の教示に基づく他の実施形態におけるオプトエレクトロニクス組立部品８１を描いたものである。オプトエレクトロニクス組立部品８１は結合機構を除けばオプトエレクトロニクス組立部品３１と同様である。この実施例においては、ＯＬＥ３３がメス型アライメント特徴部を持つ一方で基板３５がオス型の対応アライメント特徴部を持っている。ＯＬＥ３３のメス型アライメント特徴部はソケット８３である。基板３５のオス型対応アライメント特徴部は、ソケット８３にスナップフィット、スリップフィット或いはプレスフィットするように設計された隆起部８５である。一実施形態においては、隆起部８５ははんだボールである。

隆起部８５の形成に際しては、非常に正確な直径のはんだボールを基板３５上に配置してリフローすることにより、精密な寸法の隆起部８５が作られる。基板３５は、高精度に形成されている金属特徴部（例えばトレース）を備えた平坦なものとすることが出来、その上にはんだボールを配置しリフローして、金属特徴部に取り付けることが出来る。或いは基板３５は、はんだボールを配置し取り付ける為のピットを有するものとすることも出来る。基板がシリコン製の場合、ピットを半導体エッチング技術で正確に形成することが出来る為、この方法は特に効果的である。

本発明の他の実施形態においては、結合機構を可視性の基準マークとすることが出来る。例えば、アライメント特徴部を基板上に描かれたアウトラインとし、その中に光学素子を接着剤、はんだ付け或いは他の取り付け手段により取り付けるものとすることが出来る。結合機構はまた、磁気を利用したものでも良い。例えば、基板がある極性の磁気接触部を持ち、光学素子が反対極性の磁気接触部を持つものとすれば良い。

本発明を特定の実施形態を参照しつつ詳細に説明して来たが、本発明が属する分野の当業者であれば、添付請求項の精神及び範囲から離れることなく様々な変更及び強化を加えることが可能であることは明らかである。

本発明の実施態様の一部を以下に例示する。
（実施態様１)
少なくとも１つのアライメント特徴部（５１、８５）を有する基板（３５）と、
前記基板（３５）上にあるオプトエレクトロニクス・トランスデューサ（４３）と、
前記オプトエレクトロニクス・トランスデューサ（４３）に形成された立脚構造体（４５）と、
前記立脚構造体（４５）により支持されている第一のレンズ（４７）と、
前記基板（３５）の前記アライメント特徴部（５１、８５）と結合する対応アライメント特徴部（５９、８３）を有する光学レンズ素子（ＯＬＥ）（３３）と、
前記ＯＬＥ（３３）の第二のレンズ（５５）とを有し、
前記アライメント特徴部（５１、８５）と前記対応アライメント特徴部（５９、８３）が結合して、前記第二のレンズ（５５）が前記第一のレンズ（４７）にアライメントされることを特徴とするオプトエレクトロニクス組立部品（３１）。
（実施態様２)
前記第一及び第二のレンズの少なくとも一方が、光を平行化することを特徴とする実施態様１に記載のオプトエレクトロニクス組立部品（３１）。
（実施態様３)
前記立脚構造体（４５）がフォトリソグラフィ加工技術を用いて形成されたものであることを特徴とする実施態様２に記載のオプトエレクトロニクス組立部品（３１）。
（実施態様４)
前記オプトエレクトロニクス・トランスデューサ（４３）がレーザーであり、前記第一のレンズ（４７）が前記レーザーから発光される光を平行化することを特徴とする実施態様２に記載のオプトエレクトロニクス組立部品。
（実施態様５)
前記オプトエレクトロニクス・トランスデューサ（４３）が垂直共振器表面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）であることを特徴とする実施態様４に記載のオプトエレクトロニクス組立部品。
（実施態様６)
前記オプトエレクトロニクス・トランスデューサ（４３）がフォトデテクタであり、前記第一のレンズ（４７）が前記フォトデテクタ上に光を収束させることを特徴とする実施態様２に記載のオプトエレクトロニクス組立部品。
（実施態様７)
前記アライメント特徴部（５１）が前記基板（３５）のソケットであり、前記対応アライメント特徴部（５９）が前記ＯＬＥ（３３）のプラグであることを特徴とする実施態様１に記載のオプトエレクトロニクス組立部品。
（実施態様８)
前記アライメント特徴部（８５）が前記基板（３５）のプラグであり、前記対応アライメント特徴部（８３）が前記ＯＬＥ（３３）のソケットであることを特徴とする実施態様１に記載のオプトエレクトロニクス組立部品。
（実施態様９)
前記アライメント特徴部（８５）がはんだボールであることを特徴とする実施態様８に記載のオプトエレクトロニクス組立部品。
（実施態様１０)
前記オプトエレクトロニクス・トランスデューサ（４３）がオプトエレクトロニクス・トランスデューサのアレイの１素子であり、
前記第一のレンズ（４７）が第一のレンズのアレイの１つであり、前記第一のレンズの各々が各オプトエレクトロニクス・トランスデューサの上に配置されており、
前記第二のレンズ（５５）が第二のレンズのアレイの１つであり、前記第二のレンズの各々が、前記第一のレンズのアレイの各々のレンズとアライメントされていることを特徴とする実施態様１に記載のオプトエレクトロニクス組立部品。
（実施態様１１)
前記第一のレンズ（４７）がボールレンズであることを特徴とする実施態様２に記載のオプトエレクトロニクス組立部品。
（実施態様１２)
前記ＯＬＥ（３３）が単一部品としてモールディング成形されたものであることを特徴とする実施態様１に記載のオプトエレクトロニクス組立部品。
（実施態様１３)
前記ＯＬＥ（３３）が光ファイバ・フェルールと接続する為のコネクタ（６１）を有していることを特徴とする実施態様１２に記載のオプトエレクトロニクス組立部品。
（実施態様１４)
前記コネクタ（６１）に結合して前記第二のレンズを光ファイバとアライメントする光ファイバ・フェルールを備えた光ファイバを更に有する実施態様１３に記載のオプトエレクトロニクス組立部品。
（実施態様１５)
前記光ファイバがマルチモード・ファイバであることを特徴とする実施態様１４に記載のオプトエレクトロニクス組立部品。
（実施態様１６)
前記アライメント特徴部と前記対応アライメント特徴部が磁気式結合機構を有していることを特徴とする実施態様１に記載のオプトエレクトロニクス組立部品。
（実施態様１７)
前記基板の前記アライメント特徴部が可視の基準マークであることを特徴とする実施態様１に記載のオプトエレクトロニクス組立部品。

従来のオプトエレクトロニクス・トランスミッタ１１の光学経路を示す図である。 オプトエレクトロニクス組立部品の一実施形態を描いた図である。 光学レンズ素子の平面図である。 光学レンズ素子の側面図である。 光学レンズ素子の背面図である。 基板の平面図である。 図４Ａの点線４８−４８’で切断した断面図である。 組立後のオプトエレクトロニクス組立部品を描いた図であり、図２の点線３６−３６’で切断した断面図である。 組立後のオプトエレクトロニクス組立部品を描いた図であり、図２の点線３７−３７’で切断した場合の断面図である。 組立後のオプトエレクトロニクス組立部品を描いた図であり、図５Ｂの点線で囲んだ四角部分６３の分解図である。 本発明の教示内容に基づいて構築した他の実施形態におけるオプトエレクトロニクス組立部品を描いた図である。 図６Ａの点線８２−８２’で切断した断面図である。

符号の説明

３１：オプトエレクトロニクス組立部品
３３：光学レンズ素子（ＯＬＥ）
３５：基板
４３：オプトエレクトロニクス・トランスデューサ
４５：立脚構造体
４７：第一のレンズ
５１、８５：アライメント特徴部
５５：第二のレンズ
５９、８３：対応アライメント特徴部
６１：コネクタ

Claims (1)

1. 少なくとも１つのアライメント特徴部を有する基板と、
   前記基板上にあるオプトエレクトロニクス・トランスデューサと、
   前記オプトエレクトロニクス・トランスデューサに形成された立脚構造体と、
   前記立脚構造体により支持されている第一のレンズと、
   前記基板の前記アライメント特徴部と結合する対応アライメント特徴部を有する光学レンズ素子（ＯＬＥ）と、
   前記ＯＬＥの第二のレンズとを有し、
   前記アライメント特徴部と前記対応アライメント特徴部が結合して、前記第二のレンズが前記第一のレンズにアライメントされることを特徴とするオプトエレクトロニクス組立部品。

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