JP2006243669A

JP2006243669A - 信号伝送装置

Info

Publication number: JP2006243669A
Application number: JP2005063076A
Authority: JP
Inventors: Akihito Nakayama; 明仁中山
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】ＳＥＲＤＥＳチップ３１の配置場所を基板上において自由に決定する。
【解決手段】光ファイバ１０の一方の端部に形成され、コリメートレンズ１１を有する第１のコネクタ１２と、光ファイバ１３の一方の端部に形成され、コリメートレンズ１５を有する第２のコネクタ１６と、光ファイバ１３の他方の端部に形成され、電気信号を光信号に変換し、光信号を電気信号に変換する光トランシーバ１７とにより構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光信号を電気信号に変換し、及び電気信号を光信号に変換する信号伝送装置に関する。

従来の光伝送システムの例を図１３（ａ）、（ｂ）に示す。光伝送システムは、光ファイバ１００を保護し、精度のよい光ファイバ軸整列を行う光コネクタ１０１と、光コネクタ１０１が接続され、光信号を電気信号に変換し、また、電気信号を光信号に変換する光トランシーバ１０２と、シリアル信号を送受信する信号処理回路が実装されている基板１０３と、光トランシーバ１０２と基板１０３を結合するコネクタ１０４からなる。

光トランシーバ１０２は、光ファイバ１００とのカップリング用の光学系と光電変換素子や周辺回路で構成される。また、光コネクタ１０１は、ジルコニアを高い精度で加工して作られたフェルールからなり、光トランシーバ１０２と光ファイバ１００を結合している。

基板１０３には、シリアル信号を送受信する際の信号処理を行う信号処理回路（SERDES，Serializer/Deserializer）のチップ（以下、ＳＥＲＤＥＳチップという。）が実装されている。

コネクタ１０４は、光トランシーバ１０２と基板１０３を結合しており、現在、１０Ｇｂｐｓまでのデータを伝送する光伝送システムにおいては、ＳＦＰコネクタ及びＸＦＰコネクタと呼ばれる規格品が広く使われている。ここで、図１４にＳＦＰ（Small Form Factor Pluggable）コネクタの外観図を示す。ＳＦＰコネクタは、高い高周波特性を得るために表面実装タイプのコネクタになっている。なお、ＸＦＰコネクタとは、ＳＦＰコネクタよりピン数が多いコネクタのことである。

光伝送システムは、図１３に示されるようなコンタクト用のパターンが形成された光トランシーバ基板を、ＳＦＰコネクタに挿入することで基板に実装されているＳＥＲＤＥＳチップと電気的に結合される。

特許第３３８１０５９号公報

ところで、上述したような構造では、一般に光ファイバ１００の挿抜を行うために、光トランシーバ１０２の躯体には孔が形成されている。形成されている孔に光ファイバ１００が挿入された光トランシーバ１０２と、基板１０３上に実装されているＳＥＲＤＥＳチップとの間で送受信されるシリアルデータは、非常に高速なので、ＳＥＲＤＥＳチップと光トランシーバ１０２との距離をあまり離すことができない。したがって、基板１０３上において、ＳＥＲＤＥＳチップが実装される場所が限定されてしまい、設計の制約が厳しくなってしまう。

また、上述の構造においては、光ファイバ１００は、コネクタ１０４に対して、ファイバ端面を露出させる構造となっており、この露出されている端面に光が入射又は、露出されている端面から光が出射する構造になっている。このように、ファイバ端面が露出する構造になっているため、その取り扱いは非常に困難で、挿抜の度に端面に付着している不純物を専用のクリーナで拭く必要があり、一般のユーザにとって、取り扱いが困難である。

また、図１５に、光トランシーバ１０２の構造を示す。図１５（Ａ）には、光トランシーバ１０２に光ファイバ１００が挿入される前の状態を示し、図１５（Ｂ）には、光トランシーバ１０２に光ファイバ１００が挿入された後の状態を示す。

光トランシーバ１０２には、電気信号を光信号に変換する電気−光変換素子（ＬＤ，Laser Diode）１０５と、ＬＤ１０５から出射された光を集光し、出射するレンズ１０６が内蔵されており、光トランシーバ１０２に光ファイバ１００を挿入する場合、ＬＤ１０５から出射されるレーザ光が出射面側に配置されたレンズ１０６により光束が絞られ、その絞られた焦点位置に光ファイバ１００の端面が位置するように位置合わせを行う必要がある。このように位置合わせが行われると、５０μｍと非常に小さな光ファイバ１００のコア部に効率よく光を入射することができる。なお、光信号を電気信号に変換する光−電気変換素子（ＰＤ、Photo Detector）も同様に、光ファイバからの入射される光がレンズにより絞られて、ＰＤに効率よく入射される。

ところで、レンズ１０６により絞られた焦点位置に光ファイバ１００の端面を位置するように位置合わせを行うには、ミクロンオーダーの精密なアセンブリが必要になり、少しでも位置合わせがずれると、信号伝送が極端に悪化してしまう。

また、光ファイバ１００のコア径は、５０μｍ程度と非常に小さいので、小さな埃、汚れ、傷等により性能が劣化してしまい、使用不能な状態になってしまうおそれがある。

そこで、本発明では、基板上に実装されるＳＥＲＤＥＳチップの場所を限定せず、光ファイバ端面を露出させることがない構造の信号伝送装置を提供する。

本発明に係る信号伝送装置は、上述の課題を解決するために、第１の光ファイバの一方の端部に形成され、上記端部から出力される光信号を受光し、受光した光信号を平行光で出力し、又は／及び入力される平行光の光信号を受光し、受光した光信号を上記第１の光ファイバの一方の端部に集光するコリメートレンズを有する第１のコネクタと、第２の光ファイバの一方の端部に形成され、上記第１のコネクタを接続するための接続部と、上記第１のコネクタから出力される平行光の光信号を受信し、受信した光信号を上記第２の光ファイバの一方の端部に集光し、又は／及び上記第２の光ファイバの一方の端部から出力される光信号を受光し、受光した光信号を平行光で出力するコリメートレンズを有する第２のコネクタと、上記第２の光ファイバの他方の端部に形成され、上記第２の光ファイバの他方の端部から出力される光信号を電気信号に変換し、又は／及び電気信号を光信号に変換し、変換された上記光信号を上記第２の光ファイバの他方の端部に出力する変換部と、上記変換部で変換された電気信号を出力し、又は／及び電気信号を上記変換部に入力する出入力部を有する光トランシーバとに構成される。

本願発明では、ＳＥＲＤＥＳチップを基板上に配置する制約をなくし、基板設計の自由度を改善することができ、光トランシーバと光ファイバの距離を自在に伸ばすことが可能なので、第２のコネクタの配置を自由に決定することができ、設計自由度を改善でき、第１のコネクタと第２のコネクタが接続された場合には、コネクタ間は、平行光により光カップリングされるので、コネクタ端面のゴミや、埃や、傷等に対するトレランス（耐塵性）を改善し、一般家庭でも使用できるような光データコネクションを実現できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

信号伝送装置１は、図１に示すように、光ファイバ１０の一方の端部に形成される第１のコネクタ１２と、光ファイバ１３の一方の端部に形成される第２のコネクタ１６と、光ファイバ１３の他方の端部に形成され、電気信号を光信号に変換し、また光信号を電気信号に変換する光トランシーバ１７とから構成される。

ここで、光トランシーバ１７の構成について詳述する。光トランシーバ１７は、図２に示すように、複数本の光ファイバ１３を固定する高い精度で成型された樹脂フェルール１８と、信号変換素子部１９とにより構成されている。信号変換素子部１９には、電気信号を光信号に変換する電気−光変換素子（ＬＤ，Laser Diode）２０と、電気信号を増幅してＬＤ２０に供給するＬＤドライバ２１と、光信号を電気信号に変換する光−電気変換素子（ＰＤ、Photo Detector）２２と、ＰＤ２２から出力される電気信号を増幅するＰＤドライバ２３と、信号処理回路（SERDES，Serializer/Deserializer）のチップ（以下、ＳＥＲＤＥＳチップという。）３１が実装されている基板３０に形成されている受け部３２と接続するための所定のパターンが形成されてなる接続部２４とが備えられている。なお、ＳＥＲＤＥＳチップ３１とは、シリアル信号を送受信する際の信号処理を行う信号処理回路である。

また、光ファイバ１３は、ＬＤ２０及びＰＤ２２と高い位置精度で位置調整され、そのギャップも１００μｍ以下に接近させるバッドカップリングにより結合されている。また、信号変換素子部１９は、カードエッジタイプで形成されている。

また、基板３０は、ＳＥＲＤＥＳチップ３１を搭載し、信号変換素子部１９の接続部２４が接続される受け部３２が形成されている。

このようにして信号伝送装置１は、縦型のカードエッジタイプの接続部２４によって、光トランシーバ１７と基板３０に実装されているＳＥＲＤＥＳチップ３１を結合し、光トランシーバ１７と第２のコネクタ１６までを光ファイバ１３で接続する。

したがって、伝送する信号が高周波数帯域の場合には、従来では、光信号の送受信が行われる光ファイバの端面と、ＳＥＲＤＥＳチップ３１の距離を物理的に近接化する必要があり、ＳＥＲＤＥＳチップ３１を光ファイバと接続する端子付近に配置しなければならない制約があったが、本願発明では、ＳＥＲＤＥＳチップ３１と第２のコネクタ１６を物理的に離すことができ、ＳＥＲＤＥＳチップ３１の配置を柔軟に決定することができ、設計自由度を改善することができる。

また、光ファイバ１３と、ＬＤ２０及びＰＤ２２が等債さえバットカップリングで結合されていなくても良く、例えば、図３に示すように、樹脂フェルール１８と信号変換素子部１９との間に所定のマイクロレンズアレーにより構成されてなるレンズ部２５を設ける形態であっても良い。レンズ部２５を設けた場合には、光ファイバ１３と、ＬＤ２０及びＰＤ２２は、内蔵されているレンズにより光カップリングされる。また、このような構造の場合には、ＬＤ２０及びＰＤ２２と、光ファイバ１３の端面の設計、すなわち樹脂フェルール１８と信号変換素子部１９との設計において、厳密な位置決めを行う必要がなく、また、光束を絞ることでカップリング効率を改善することができる。

ここで、信号変換素子部１９の他の構成例について説明する。図４（Ａ）は、信号変換素子部１９の樹脂フェルール１８と接合される面の構造を示し、図４（Ｂ）は、信号変換素子部１９の基板３０と接続（接触）する面の構造を示す。

信号変換素子部１９の長手方向における両端部の所定位置に、基板３０と接続される接続孔Ａが設けられている。また、信号変換素子部１９の基板３０と接続する面には、電気信号を導通する弾性部材４０が形成されている。弾性部材４０は、例えば、幅が約５００μｍ、高さが約１００μｍのＯリング構造の金属膜からなっている。

信号変換素子部１９が上述のような構造の場合には、図５に示すように、基板３０には受け部３２の代わりに、接触用のパターンが形成される。信号変換素子部１９は、弾性部材４０が接触用のパターンに接触することにより電気的に接続される。

このようにして、図４に示すように、縦型のカードエッジ型コネクタ（図１）ではなく、信号変換素子部１９の裏面にバネ構造の接触端子（弾性部材４０）を実装することにより、弾性部材４０のバネ力により、弾性部材４０が基板３０上に形成されている接触用のパターンに接触する際の安定性を実現するので、高周波特性をさらに改善することができる。

また、信号変換素子部１９において、光電変換部（ＬＤ２０、ＬＤドライバ２１、ＰＤ２２及びＰＤドライバ２３）と弾性部材４０とはスルーホールを介して、非常に短い距離で接続することができるので、ほぼ基板３０の厚さ光電変換部と弾性部材４０とを接続可能であり、例えば、基板３０の厚さが０．５ｍｍであった場合には、１ｍｍ以下の接続距離で設計することが可能となる。このように接続距離を短距離化することで、高周波帯域（数十Ｇｂｐｓ）の信号の劣化を改善することができ、データ転送レートを向上することが可能となる。

また、以下に上述以外の構成例を示す。図６では、弾性部材４０として、信号変換部１９に対して縦方向に貫通させたスルーホール部にＵ字型構造の端子を挿入し、固定した構造を示す。このような構造により、弾性部材４０のバネ力により、弾性部材４０が基板３０上に形成されている接触用のパターンに電気的に接触する。

また、図７では、基板３０の側面にリードフレーム４１を沿わせ、ＬＤ２０や、ＰＤ２２等と信号の送受信ができるように接続した構造を示す。このような構造により、リードフレーム材のバネ力により、リードフレーム４１が基板３０上に形成されている接触用のパターンに電気的に接触する。

ところで、上述した信号変換素子部１９の各構造においては、弾性部材４０又はリードフレーム４１のバネ力を発生させるために、ネジや、基板３０上に構成されたラッチ機構等により光トランシーバ１７を、ＳＥＲＤＥＳチップ３１を実装している基板３０に押し付ける構造になっている。また、バネのザクツを防ぐために、本実施例では信号変換素子部１９の基板３０と接触する面の各四隅にスペーサＢを設けている。なお、スペーサＢを設けなくても、ネジと基板３０間にワッシャーを設ける構成であっても良いし、また、基板３０間にスペーサ等を挿入する構成であっても良い。

また、弾性部材４０を信号変換素子部１９ではなく、基板３０側に設ける構成であっても良い（図８）。この場合も、上述したのと同様の高周波特性の改善を実現できる。また、弾性部材４０によるバネ力の発生ギャップの管理（制御）についても、スペーサやワッシャー等を設けることにより上述したのと同様の効果を奏することができる。

また、図９には、光トランシーバ１７とＳＥＲＤＥＳチップ３１を実装する基板３０間にＢＧＡ構造のコネクタ５０が介された構造を示す。コネクタ５０には、光トランシーバ１７と接触する面と、基板３０と接触する面の両面に弾性部材４０が形成されている。本構造の場合には、コネクタ５０が設けられている分だけ高周波帯域の特性は悪化するが、配線長を極めて短くできるので高い性能を実現でき、弾性部材４０を光トランシーバ１７に形成したり、また、基板３０上に形成したりせずに済むため、各部の製造を容易に行うことができる。

また、図１０には、同一基板３０内に２つのＳＥＲＤＥＳが実装されている場合、又は同一躯体内の別基板にあり、これを光トランシーバ１７の端子の替わりに、半田ボールを実装して、半永久的に固定する構造を示す。光トランシーバ１７を挿抜する必要がないシステムにおいては、このような構造も可能である。

また、上記の躯体に光コネクタを固定した構造においても、光トランシーバの挿抜が不要な場合には、半田ボールで、光トランシーバを半永久的に固定する構造も可能である。

つぎに、第１のコネクタ１２と第２のコネクタ１６について説明する。

図１１には、通常の光コネクタの構造を示す。図１１（Ａ）には、第１のコネクタ６０と第２のコネクタ６１を接続する前の状態を示し、図１１（Ｂ）には、第１のコネクタ６０と第２のコネクタ６１を接続した後の状態を示す。

一般の光コネクタにおいては、コネクタの端面に光ファイバの端面が露出されており、第１のコネクタ６０と、第２のコネクタ６１を接合することにより、第１のコネクタ６０の光ファイバの端面と第２のコネクタ６１の光ファイバの端面を密着させることで結合（パッシブ・コネクション）させている。

また、実際には、光ファイバ同士の密着性を向上させるために、バネで押し付けるような構造がとられている。このような構造では、第１のコネクタ６０と第２のコネクタ６１の挿抜の度に、専用のクリーナで第１の光コネクタ６０の端面及び第２の光コネクタ６１の端面をクリーニングする必要があり、一般ユーザが使用することは困難である。

また、光ファイバの全体の径は、１２５μｍ程度であり、コア径は、５０μｍ程度なので、光ファイバ端面に傷が付いたり、汚れや、埃等が付着して第１のコネクタ６０と第２のコネクタ６１の間に綿埃等が挟まると、送受信する信号が劣化したり、信号の伝送が不能になってしまうおそれがある。したがって、このような構造のものを家庭でユーザが使うのは、信頼性の面からみて困難な状況にある。

そこで、本願発明によりこのような問題点を改善する。

第１のコネクタ１２は、図１２に示すように、光ファイバ１０の一方の端部に形成され、当該端部から出力される光信号を受光し、受光した光信号を平行光で出力し、又は／及び入力される平行光の光信号を受光し、受光した光信号を光ファイバ１０の一方の端部に集光するコリメートレンズ１１を有する。

また、第２のコネクタ１６は、光ファイバ１３の一方の端部に形成され、第１のコネクタ１２を接続するための接続部１４と、第１のコネクタ１２から出力される平行光の光信号を受信し、受信した光信号を光ファイバ１３の一方の端部に集光し、又は／及び光ファイバ１３の一方の端部から出力される光信号を受光し、受光した光信号を平行光で出力するコリメートレンズ１５を有する。

また、図１２（Ａ）には、第１のコネクタ１２と第２のコネクタ１６が接続される前の状態を示し、図１２（Ｂ）には、第１のコネクタ１２が第２のコネクタ１６の接続部１４に接続された状態を示す。

光ファイバ１０，１３から出射される光信号をコリメートレンズ１１，１５により平行光に変換し、この平行光を用いて光ファイバ１０，１３を結合している。したがって、第１のコネクタ１２のコリメートレンズ１１、及び第２のコネクタ１６のコリメートレンズ１５から出射される出射光は、平行光なので、光ファイバ１０，１３間の距離が多少変動しても、原理的には信号劣化がない。また、第１のコネクタ１２と第２のコネクタ１６から出射される出射光の径を大きくとる構成にすれば、光ファイバのコア径（５０μｍ）を仮想的に出射光の径まで拡大することができるので、コリメートレンズ１１，１５表面に多少の埃や、汚れや、傷等が付いても、出射又は入射される光信号の劣化は小さく、一般家庭においても扱いやすいシステムにすることができる。

また、実際に、光ファイバのコア径が０．９ｍｍ程度のプラスティック光ファイバを用いた光伝送が一般家庭でも使用されているので、平行光のビーム径を数百μｍ以上にとる構成にすることにより、光コネクタの端面の汚れを意識することなく、家庭内においえ使用することができる。また、埃や、傷の大きさから考えて、５００μｍ以上のビーム径があるほうが望ましい。

このようにして、本願発明に係る信号伝送装置１は、光ファイバ１０の一方の端部に形成され、コリメートレンズ１１を有する第１のコネクタ１２と、光ファイバ１３の一方の端部に形成され、コリメートレンズ１５を有する第２のコネクタ１６と、光ファイバ１３の他方の端部に形成され、電気信号を光信号に変換し、光信号を電気信号に変換する光トランシーバ１７とにより構成されるので、ＳＥＲＤＥＳチップ３１を基板３０上に配置する制約をなくし、基板設計の自由度を改善することができ、光トランシーバ１７と光ファイバ１３の距離を自在に伸ばすことが可能なので、第２のコネクタ１６の配置を自由に決定することができ、設計自由度を改善でき、第１のコネクタ１２と第２のコネクタ１６が接続された場合には、コネクタ間は、平行光により光カップリングされるので、コネクタ端面のゴミや、埃や、傷等に対するトレランス（耐塵性）を改善し、一般家庭でも使用できるような光データコネクションを実現できる。

また、縦型基板と縦型カードエッジコネクタを採用することにより、基板３０に実装されているＳＥＲＤＥＳチップ３１と、信号変換素子部１９に搭載されているＬＤ２０、ＬＤドライバ２１、ＰＤ２２及びＰＤドライバ２３との距離を短距離化することができ、高周波特性を改善できる。

さらに、信号変換素子部１９の基板３０と接触する側の面に、バネ構造の端子（弾性部材４０）を形成することにより、さらに配線距離を短距離化することができ、高周波特性を改善できる。

なお、本発明は、図面を参照して説明した上述の実施例に限定されるものではなく、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な変更、置換又はその同等のものを行うことができることは勿論である。

本発明に係る信号伝送装置の第１の構成を示すブロック図である。本発明に係る信号伝送装置に備えられている光トランシーバの第１の構成を示すブロック図である。本発明に係る信号伝送装置に備えられている光トランシーバの第２の構成を示すブロック図である。本発明に係る信号伝送装置に備えられている光トランシーバの第３の構成を示す図である。本発明に係る信号伝送装置の第２の構成を示すブロック図である。図４に示す光トランシーバの他の構成を示すブロック図である。図４に示す光トランシーバの他の構成を示すブロック図である。本発明に係る信号伝送装置の第３の構成を示すブロック図である。本発明に係る信号伝送装置の第４の構成を示すブロック図である。本発明に係る信号伝送装置の第５の構成を示すブロック図である。従来の光コネクタの構成を示すブロック図である。本発明に係る光コネクタの構成を示すブロック図である。従来の光伝送システムにおいて使用する信号伝送用コネクタの構成を示すブロック図である。ＳＦＰコネクタの外観を示す図である。従来の光トランシーバと光ファイバが結合される様子を示すブロック図である。

符号の説明

１信号伝送装置、１０，１３光ファイバ、１１，１５コリメートレンズ、１２第１のコネクタ、１４，２４接続部、１６第２のコネクタ、１７光トランシーバ、１８樹脂フェルール、１９信号変換素子部、２０電気−光変換素子（ＬＤ，Laser Diode）、２１ＬＤドライバ、２２光−電気変換素子（ＰＤ、Photo Detector）、２３ＰＤドライバ、２５レンズ部、３０基板、３１信号処理回路（SERDES，Serializer/Deserializer）のチップ、３２受け部

Claims

第１の光ファイバの一方の端部に形成され、上記端部から出力される光信号を受光し、受光した光信号を平行光で出力し、又は／及び入力される平行光の光信号を受光し、受光した光信号を上記第１の光ファイバの一方の端部に集光するコリメートレンズを有する第１のコネクタと、
第２の光ファイバの一方の端部に形成され、上記第１のコネクタを接続するための接続部と、上記第１のコネクタから出力される平行光の光信号を受信し、受信した光信号を上記第２の光ファイバの一方の端部に集光し、又は／及び上記第２の光ファイバの一方の端部から出力される光信号を受光し、受光した光信号を平行光で出力するコリメートレンズを有する第２のコネクタと、
上記第２の光ファイバの他方の端部に形成され、上記第２の光ファイバの他方の端部から出力される光信号を電気信号に変換し、又は／及び電気信号を光信号に変換し、変換された上記光信号を上記第２の光ファイバの他方の端部に出力する変換部と、上記変換部で変換された電気信号を出力し、又は／及び電気信号を上記変換部に入力する出入力部を有する光トランシーバとに構成されることを特徴とする信号伝送装置。
上記光トランシーバが有する上記出入力部は、所定の信号変換用チップが搭載された基板と接触するための接触用パターンが電気信号を導通する弾性部材で形成されていることを特徴とする請求項１記載の信号伝送装置。
上記光トランシーバが有する上記出入力部は、所定の信号変換用チップが搭載された基板上に電気信号を導通する弾性部材で形成されている接触端子と接触するための接触用パターンが形成されていることを特徴とする請求項１記載の信号伝送装置。