JP2007232888A

JP2007232888A - 光ファイバ接続構造

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Publication number: JP2007232888A
Application number: JP2006052386A
Authority: JP
Inventors: Yoshitake Furukawa; 芳毅古川; Hiroyuki Oka; 弘幸岡; Munehisa Fujimaki; 宗久藤巻; Yoshihiro Terada; 佳宏寺田; Takeshi Fukuda; 武司福田
Original assignee: Fujikura Ltd; Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd; Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: JP4739987B2

Abstract

【課題】本発明は、光ファイバと光半導体素子との光学的な接続にあたって、光ファイバの端面と光半導体素子の入・出射面との位置合わせを簡便に、且つ精度良く行なうことができると共に、設計の自由度が高く、製造コストを低減した光ファイバ接続構造を提供することにある。
【解決手段】本発明の光ファイバ接続構造では、構成部品を光半導体素子１、光ファイバケーブル１０及び接続金具２０とした。そして、接続金具２０に設けられた光ファイバ挿嵌孔２４に光ファイバケーブル１０の光ファイバ１１を挿嵌すると共に、同様に接続金具２０に設けられた保護ジャケット嵌合溝２５で光ファイバケーブル１０の保護ジャケット１２を支持する。すると、予め配設された光半導体素子１の光出射面となる凸レンズ７と光ファイバ１１の先端面３３とが夫々の光軸を共有し、且つ所定の距離を保って対向する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ接続構造に関するものであり、詳しくは、機器内の信号伝達媒体を光とし、機器内に張り巡らせた光ファイバを介して光信号伝送を行なう光ファイバ通信システムにおいて、光半導体素子（発光素子及び受光素子）と光ファイバとを光学的に接続するための光ファイバ接続構造に関する。

光ファイバ通信システムにおいて、情報量が多くなるほど高速な伝送が必要となり、これを実現するためには電気信号を光信号に変換する発光素子及び光信号を電気信号に変換する受光素子には機能上高速応答性能が要求され、結果的には発光素子及び受光素子の応答性能がシステムの高速化に制約を与えることになる。

そこで、信号変換素子として光半導体素子の高速応答性能に着目し、高速応答性能を有する光半導体発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード（ＬＤ）など、高速応答特性を有する光半導体受光素子としてフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオードが一般的に使用されている。

そして、発光素子から発せられた光信号を光ファイバ内に導入するためには発光素子と光ファイバとを光学的に接続する光コネクタが用いられ、同様に、光ファイバ内を導光された光信号を受光素子に取り込むためには光ファイバと受光素子とを光学的に接続する光コネクタが用いられる。

更に、受光素子と光ファイバ、発光素子と光ファイバの夫々の光学的な接続を一体化する光コネクタも使用されている。

従来のこの種の光コネクタには図８に示すような構成のものがある。それは、光素子実装用基板５０、光素子５１および光ファイバ５２を備えているものである。

そのうち、光素子実装用基板５０は、内底面に光素子実装用の接続パッド５３を有し、内側面を傾斜面５４とする凹部５５が設けられ、光素子実装用基板５０の外側面５６から凹部５５の傾斜面５４に到る光ファイバ実装用の溝５７が形成されている。

また、光素子５１は、端面発光素子であり、下面に電極パッド５８が形成されている。

さらに、光ファイバ５２はコア５９が被覆６０で保護された構造を有している。

そして、光素子実装用基板５０の凹部５５の傾斜面５４に、下面の一辺が当接するように光素子５１が収容され、光素子５１の下面に形成された電極パッド５８と凹部５５の内底面に形成された接続パッド５３とを導電性相互接続部材６１を介して接続することによって光素子５１を光素子実装用基板５０の凹部５５内に固定すると共に、光素子５１の電極パッド５８と光素子実装用基板５０の接続パッド５３との電気的導通を図っている。

さらに、光ファイバ５２を光素子実装用基板５０に形成された光ファイバ実装用の溝５７に落とし込んで光ファイバ５２の先端面が光素子５１の端面に当接するように固定し、光ファイバ５２のコア５９の端面と光素子５１の端面とが当接するようにしたものである（例えば、特許文献１参照。）。

また、他の従来例としては、図９に示すように、Ｓｉ−Ｖ溝基板８０、ＬＤ−チップ（端面発光素子）８１および光ファイバ８２を備えたものがある。

そのうち、ＬＤ−チップ８１は、下面の４隅にバンプ電極と中央部にストレート電極が形成されている。

さらに、Ｓｉ−Ｖ溝基板８０はＳｉ基板からなり、上記ＬＤ−チップ８１のバンプ電極に対応する４箇所にＡｕ／Ｓｎバンプ８３が、ストレート電極に対応する位置にストレートバンプ８４が夫々形成され、Ｓｉ−Ｖ溝基板８０の外側面８５からＡｕ／Ｓｎバンプ８３近傍あるいはストレートバンプ８４の端部近傍まで延びるＶ溝８６が形成されている。

そして、Ｓｉ−Ｖ溝基板８０に形成されたＡｕ／Ｓｎバンプ８３およびストレートバンプ８４の夫々にＬＤ−チップ８１の下面に形成されたバンプ電極およびストレート電極を接続することによってＳｉ−Ｖ溝基板８０にＬＤ−チップ８１を固定すると共に、ＬＤ−チップ８１のバンプ電極とＳｉ−Ｖ溝基板８０のＡｕ／Ｓｎバンプ８３との電気的導通を図っている。

さらに、光ファイバ８２をＳｉ−Ｖ溝基板８０に形成されたＶ溝８６に落とし込んで光ファイバ８２の先端面がＶ溝８６の端部に当接するように固定し、光ファイバ８２の端面とＬＤ−チップ８１の導波路８７の発光部８８とが対向するようにしたものである（例えば、特許文献２参照。）。
特許第３７０９０７５号公報特開平１１−６９４１号公報

図８で示す前者の構成は、光ファイバ５２のコア５９の端面と光素子５１の端面とを当接することによって光ファイバ５２と光素子５１との光軸方向の位置出しを確保しており、光ファイバ５２に外力が加わった場合や、周囲温度の上昇によって光ファイバ５２が熱膨張した場合などに光ファイバ５２から光素子５１に圧力が加わり、光素子５１の信頼性を損ねる可能性がある。

また、組み立て時に光ファイバ５２のコア５９の端面と光素子５１の端面とが接触することによって、夫々の端面のいずれか一方または両方に傷がつき、光結合効率を低下させることも考えられる。

一方、図９で示す後者の構成は、加工上、Ｓｉ−Ｖ溝８６の端面とＡｕ／Ｓｎバンプ８３を近接させることは困難であり、結果的にチップ８１の発光部とファイバ８２のコア部を近接させることができないことにより、光結合の効率を上げることが困難であった。

上記いずれの従来例においても、光ファイバと光素子および光ファイバとＬＤ−チップの夫々の光軸に垂直な面方向の位置精度は光ファイバを落とし込むＶ溝の精度に因るところが大きく、Ｖ溝の方向、深さ、傾斜角度などを高精度に加工することが要求され、製造コストの上昇に繋がる。

また、Ｖ溝に落とし込まれた光ファイバは熱硬化性の接着剤を介して固定されるものであるが、加熱硬化中は治具などによって光ファイバを保持する必要があり、煩雑な工程が必要となる。

また、上記いずれの従来例においても、光源はレーザダイオードなどの端面発光の素子が対象であり、面発光素子や面受光素子の比較的廉価な受発光素子に対しては実装が困難である。

そこで、本発明は上記問題に鑑みて創案なされたもので、その目的とするところは、光ファイバと光半導体素子との光学的な接続にあたって、光ファイバの端面と光半導体素子の入・出射面との位置合わせを簡便に、且つ精度良く行なうことができると共に、設計の自由度が高く、製造コストを低減した光ファイバ接続構造を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載された発明は、マザーボード上に実装した接続金具に固定された、光ファイバを保護ジャケットで被覆した光ファイバケーブルと前記マザーボード上に実装した光半導体素子とを光学的に結合する光ファイバ接続構造であって、
前記接続金具は前記光半導体素子側に位置する側板部に前記光ファイバケーブルの光ファイバを挿嵌する光ファイバ挿嵌孔が形成されると共に、前記側板部に対向して位置する側板部に前記光ファイバケーブルの保護ジャケットを嵌合する保護ジャケット嵌合溝が形成されており、
前記接続金具の光ファイバ挿嵌孔に前記光ファイバケーブルの保護ジャケットが剥離されて露出した光ファイバを挿嵌し、前記接続金具の保護ジャケット嵌合溝に前記光ファイバケーブルの保護ジャケットを嵌合し、前記光ファイバ挿嵌孔が形成された側板部の前記光半導体素子と対向する面の反対面に前記光ファイバケーブルの前記光ファイバが露出した側の保護ジャケットの端面が当接した状態で、前記接続金具に前記光ファイバケーブルが固定されることによって、前記光半導体素子の光入出射面に対する前記光ファイバケーブルの前記光ファイバ端面の、該光ファイバケーブルの長手方向および前記光ファイバケーブルの長手方向に垂直な面方向の位置決めがなされ、前記光半導体素子の光入出射面の光軸と前記光ファイバの端面の光軸とが略同一線上に位置することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載された発明は、請求項１において、前記接続金具の側板部に形成された光ファイバ挿嵌孔は、略円形または略多角形であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載された発明は、請求項１または２のいずれか１項において、前記接続金具の側板部に形成された保護ジャケット嵌合溝は、略円弧状または略コ字状であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のいずれか１項において、前記接続金具には複数のフランジ部が形成されており、該フランジ部が前記マザーボードに形成された導体パターンと導電部材を介して接合されることによって前記接続金具が前記マザーボードに固定されることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項５に記載された発明は、請求項１〜４の何れか１項において、前記光半導体素子は前記マザーボードに該光半導体素子の光軸が前記マザーボードと略平行となるように実装されることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項６に記載された発明は、マザーボード上に実装した接続金具に固定された、光信号伝送路となる複数の光ファイバを有する平面状のテープファイバと前記マザーボード上に実装した受光部及び発光部、又は、複数の受光部又は発光部を有する光半導体素子とを光学的に結合する光ファイバ接続構造であって、
前記接続金具は前記光半導体素子側に位置する側板部に前記テープファイバの光信号伝送路となる光ファイバを挿嵌する複数の光ファイバ挿嵌孔が形成されると共に、前記側板部に対向して位置する側板部に前記テープファイバを嵌合するテープファイバ嵌合溝が形成されており、
前記接続金具の光ファイバ挿嵌孔に前記テープファイバの該テープファイバの他の部分よりも突出して配置された光信号伝送路となる光ファイバを挿嵌し、前記接続金具のテープファイバ嵌合溝に前記テープファイバを嵌合し、前記光ファイバ挿嵌孔が形成された側板部の前記光半導体素子と対向する面の反対面に前記テープファイバの光信号伝送路となる光ファイバが挿嵌された側の前記光信号伝送路となる光ファイバ以外の部分の端面が当接した状態で、前記接続金具に前記テープファイバが固定されることによって、前記光半導体素子の夫々の光入出射面に対する前記テープファイバの光信号伝送路となる夫々の光ファイバ端面の、該光テープファイバの長手方向および前記テープファイバの長手方向に垂直な面方向の位置決めがなされ、前記光半導体素子の夫々の光入出射面の光軸と前記テープファイバの光信号伝送路となる夫々の光ファイバ端面の光軸とが夫々略同一線上に位置することを特徴とするものである。

また、本発明の請求項７に記載された発明は、請求項６において、前記接続金具の側板部に形成された光ファイバ挿嵌孔は、略円形または略多角形であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項８に記載された発明は、請求項６または７のいずれか１項において、前記接続金具の側板部に形成された保護ジャケット嵌合溝は、横長の略半長円状または横長の略コ字状であることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項９に記載された発明は、請求項６〜８のいずれか１項において、前記接続金具には複数のフランジ部が形成されており、該フランジ部が前記マザーボードに形成された導体パターンと導電部材を介して接合されることによって前記接続金具が前記マザーボードに固定されることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項１０に記載された発明は、請求項６〜９のいずれか１項において、前記光半導体素子は前記マザーボードに該光半導体素子の受発光部の夫々の光軸が前記マザーボードと略平行となるように実装されることを特徴とするものである。

本発明は、光ファイバと光半導体素子との光学的な接続にあたって、光ファイバと光半導体素子とを接続金具のみで接続し、且つ、光ファイバを接続金具の３箇所で位置決めするようにした。そのため、光ファイバ端面の、該光ファイバの長手方向および該光ファイバの長手方向に垂直な面方向の位置決めが良好な精度でなされ、光半導体素子の光入出射面の光軸と光ファイバ端面の光軸とが同一線上に位置するようになった。

その結果、光半導体素子と光ファイバとの接続が機構的に簡単に、高精度で再現性良く行なわれ、光学的には接続損失が少なくて結合効率が高いと共に光信号伝送の確実性が高く、経済的には部品点数が少なくて製造コストが低減でき、大きさにおいては光学的な接続に寄与しないスペースの占める割合が極めて小さいために小型化が可能であり、そのため設計においては自由度が高い、などの優れた効果を奏するものである。

光ファイバと光半導体素子との光学的な接続にあたって、光結合効率が高く、小型で製造コストを低減した光ファイバ接続構造を実現する目的を、光ファイバを接続金具の３箇所で位置決めするようにした。そのため、光ファイバ端面の、該光ファイバの長手方向および該光ファイバの長手方向に垂直な面方向の位置決めが良好な精度でなされ、光半導体素子の光入出射面の光軸と光ファイバ端面の光軸とが同一線上に位置するようになった。

以下、この発明の好適な実施例を図１から図７を参照しながら、詳細に説明する。尚、以下に述べる実施例は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施例に限られるものではない。

図１は本発明の光ファイバ接続構造に係わる実施例１を示す分解斜視図である。本実施例は１個の光半導体素子と、１本の光ファイバケーブルと、該光ファイバケーブルを固定して光半導体素子と光ファイバ（コアとクラッドとからなる）とを光学的に接続する接続金具と、から構成されている。以下に夫々の構成部品について詳細に説明する。

第一の構成部品である光半導体素子１は、エポキシ樹脂等の絶縁部材からなる絶縁基材２の表面に電極パターン３が形成されたプリント基板４の該電極パターン３上に、光半導体チップ（図示していないが、本実施例においては例えば、発光源となる発光ダイオードチップ、半導体レーザチップ等を使用している。但し受光源となるフォトダイオードチップ、ＰＩＮフォトダイオードチップ、フォトトランジスタチップ等も使用可能である）が導電性接着剤等の導電部材を介して載設されて光半導体チップの下側電極と電極パターン３とが接続され、光半導体チップの上側電極と前記光半導体チップが載設された電極パターン３とは分離された電極パターン３とがボンディングワイヤを介して接続されている。

そして、少なくとも通信に使用される光の波長領域において透光性を有するエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等からなる封止樹脂５によって光半導体チップおよびボンディングワイヤが樹脂封止され、保護されている。封止樹脂５の光出射面６には光半導体チップの光軸近傍となる位置に外側に膨らんだ球面あるいは非球面の凸レンズ７が形成されており、光半導体チップから出射して封止樹脂５内を導光されて凸レンズ７を経て外部に放出された光が、光軸方向に集光するようにしている。

また、本光半導体素子１はマザーボード実装時には光軸がマザーボードと平行となるような実装方法が可能なように電極パターン３が形成されており、サイドビュータイプとも呼ばれている。

第二の構成部品である光ファイバケーブル１０は、光信号伝送路となる光ファイバ１１と保護ジャケット１２からなり、光ファイバ１１は保護ジャケット１２によって被覆されている。本実施例の場合、光フアイバ１１はプラスチックで形成されており、プラスチック・オプティカル・ファイバ（ＰＯＦ）と呼ばれるものである。また、保護ジャケット１２の端面１３は後述のように光フアイバ１１の長手方向の位置決めに使用されるため、平面度を高めた状態に形成されている。場合によっては、位置決めリング等の別部材をカシメあるいは接着によって装着することも可能である。

第三の構成部品である接続金具２０は、半田付けが可能な金属材料あるいは金属表面に半田付けが可能なメッキを施した材料からなる１枚の板状材料から、穴あけ、切断、曲げ等の加工によって作製されたものであり、４つの側板部２１ａ〜２１ｄと１つの上板部２２と該上板部２２に対向する開口２３を有する略箱形状を呈している。

１つの側板部２１ａには光ファイバケーブル１０の光ファイバ１１が挿嵌される光ファイバ挿嵌孔２４が形成されており、側板部２１ａに対向する側板部２１ｂには前記光ファイバ挿嵌孔２４の中心に対向する位置を中心とする、光ファイバケーブル１０の保護ジャケット１２を嵌合する円弧状の保護ジャケット嵌合溝２５が形成され、保護ジャケット嵌合溝２５の上端からは保護ジャケット１２の径に相当する幅で上板部２２に到る保護ジャケット挟持溝２６が形成されている。

上板部２２に到った保護ジャケット挟持溝２６は、そのままの幅を保って上板部２２の途中まで側板部２１ａ側の光ファイバ挿嵌孔２４の上方に向かって延びている。なお、保護ジャケット嵌合溝２５および保護ジャケット挟持溝２６は、光ファイバケーブル１０の保護ジャケット１２を良好な作業性によって支持するようにしたものであるが、作業性に問題がなければ光ファイバ挿嵌孔２４と同様に保護ジャケット挿嵌孔とすることも可能である。

また、互いに対向する側板部２１ａ、２１ｂの夫々の下側両縁部には外側に向かって突出したフランジ部２７が設けられている。このフランジ部２７は接続金具２０をマザーボードに実装するときに半田接合部となるものであり、必ずしも側板部２１ａ、２１ｂに設ける必要はなく、側板部２１ｃ、２１ｄに設けても問題はない。更に、全側板部２１ａ〜２１ｄに設けてもよいが、その場合には製造コストが上昇するという問題が生じる。

図２は上記光半導体素子、光ファイバケーブルおよび接続金具で構成される光ファイバ接続構造の接続部をマザーボードに実装した状態を示す平面図であり、図３は図２のＡ−Ａ断面図である。

光半導体素子１、光ファイバケーブル１０および接続金具２０で構成される光ファイバ接続構造の接続部の実装手順は、まず、マザーボード３０に形成された配線パターン（図示せず）上の所定の位置に半田ペーストを塗布する。この場合、印刷、転写等の方法も可能である。

次に、半田ペースト上の所定の位置に電極パターン３が位置するように光半導体素子１を該光半導体素子１の光軸をマザーボード３０と平行にして載置すると共に、同様に半田ペースト上の所定の位置に４つのフランジ部２７が位置するように接続金具２０を載置する。この場合、必要に応じて抵抗、コンデンサ、コネクタ等の他の回路部品も同様に半田ペースト上に載置する。

その後、リフロー加熱することによって夫々の部品とマザーボード３０の配線パターンとを半田３１を介して半田接合し、マザーボード３０上に光半導体素子１、接続金具２０およびその他の回路部品を一括実装する。

なお、光半導体素子１の電極パターンおよび接続金具２０のフランジ部２７の夫々とマザーボード３０の配線パターンとの半田接合は、一般的にはリフロー半田付けで行われるが、夫々が小型、軽量部品であることから、マザーボード３０の配線パターンの半田付けランドの寸法、形状や配線パターン上に予め塗布される半田量等を適切に設定することで、リフロー半田付け時の溶融半田の表面張力によるセルフアライメント効果によって夫々の部品の高精度な位置決めが施される。

更に、予め保護ジャケット１２を剥がして光ファイバ１１を所定の長さだけ露出させた光ファイバケーブル１０を、接続金具２０の側板部２１ｂに設けられた保護ジャケット嵌合溝２５上を移送して側板部２１ａに設けられた光ファイバ挿嵌孔２４に向けて進め、光ファイバ１１を光ファイバ挿嵌孔２４に挿通して更に保護ジャケット１２の端面１３が側板部２１ａの内面３２に当接するまで進める。

そして、光ファイバケーブル１０の保護ジャケット１２が側板部２１ｂの保護ジャケット嵌合溝２５上に載置され、且つ保護ジャケット１２の端面１３が側板部２１ａの内面３２に当接した状態を保ちながら、保護ジャケット１２と接続金具２０とを所定の位置で接着して固定する。

すると、光ファイバケーブル１０の長手方向に対する光ファイバ１１の先端面３３の位置決めは、光ファイバケーブル１０の保護ジャケット１２の端面１３が接続金具２０の側板部２１ａの内面３２に当接することによって行なわれ、光ファイバケーブル１０の長手方向に垂直な面方向に対する光ファイバ１１の端面３３の角度および位置決めは、光ファイバケーブル１０の保護ジャケット１２が接続金具２０の保護ジャケット嵌合溝２５に固定された部分と光ファイバ１１が接続金具２０の光ファイバ挿嵌孔２４に嵌合された部分の２箇所によって行なわれることになる。そのため、光ファイバ１１の端面３３の位置および角度を高精度に位置決めすることが可能である。

その結果、光ファイバ１１の端面３３の光軸Ｘと光半導体素子１の凸レンズ７の頂点３４を通る光軸Ｘとは一直線上に位置し、且つ光ファイバ１１の端面３３と光半導体素子１の凸レンズ７の頂点３４とは所定の距離を確保することが可能となる。つまり、光ファイバ１１と光半導体素子１との位置決めを高精度に行なうことができるために、高い光結合効率を得ることができる。

但し、このような高い位置決め精度を得るためには、接続金具２０と光半導体素子１との位置決め精度が高いことが前提となるが、接続金具２０と光半導体素子１をマザーボード３０に固定する際に、リフロー半田付け時の溶融半田の表面張力によるセルフアライメント効果によって夫々の部品の高精度な位置決めが施されており、問題はない。

なお、接続金具２０に係止爪のような光ファイバケーブル１０を着脱可能にする手段を設けることによって、接着工程を削除することもできる。

図４は本発明の光ファイバ接続構造に係わる実施例２を示す分解斜視図である。本実施例は光半導体素子と、光ファイバと、接続金具と、から構成されているところは上記実施例１と同様であるが、夫々の構成部品の様態については実施例１とは異なるところがあるの以下に夫々の構成部品について実施例１と対比しながら詳細に説明する。

第一の構成部品である光半導体素子１は、エポキシ樹脂等の絶縁部材からなる絶縁基材２の表面に電極パターン３が形成されたプリント基板４の該電極パターン３上に、発光源となる半導体発光チップと受光源となる半導体受光チップの２種類の光半導体チップ（図示していないが、本実施例においては例えば、半導体発光チップとしては発光ダイオードチップ、半導体レーザチップ等を使用し、半導体受光チップとしてはフォトダイオードチップ、ＰＩＮフォトダイオードチップ、フォトトランジスタチップを使用している）が導電性接着剤等の導電部材を介して載設されて夫々の光半導体チップの下側電極と電極パターン３とが接続され、夫々の光半導体チップの上側電極と前記夫々の光半導体チップが載設された電極パターン３とは分離された電極パターン３とがボンディングワイヤを介して接続されている。

そして、少なくとも通信に使用される光の波長領域において透光性を有するエポキシ樹脂、シリコーン樹脂等からなる封止樹脂５によって、半導体発光チップと該半導体発光チップに架空配線されたボンディングワイヤの組み合わせ、および半導体受光チップと該半導体受光チップに架空配線されたボンディングワイヤの組み合わせ、の夫々が独立して樹脂封止され、発光部４０および受光部４１を形成している。特に、発光部４０の封止樹脂５の光出射面６には半導体発光チップの光軸近傍となる位置に外側に膨らんだ球面あるいは非球面の凸レンズ７が形成されており、半導体発光チップから出射して封止樹脂５内を導光されて凸レンズ７を経て外部に放出された光が、光軸方向に集光するようにしている。

また、本光半導体素子はマザーボード実装時には半導体発光チップおよび半導体受光チップの光軸がマザーボードと平行となるような実装方法が可能なように電極パターン３が形成されており、サイドビュータイプとも呼ばれている。

第二の構成部品である光ファイバは、上記実施例１で使用したような光信号伝送路となる光ファイバを保護ジャケットによって被覆したタイプのものではなく、コアとクラッドで構成された光ファイバを複数本平行に並べて接着剤あるいは溶融によって一体化したものであり、テープファイバ４２と呼ばれるものである。

本実施例の場合、テープファイバ４２は４本の光ファイバ１１ａ〜１１ｄで構成され、外側の２本の光ファイバ１１ａ、１１ｄおよび内側の２本の光ファイバ１１ｂ、１１ｃを夫々略同一の長さとすると共に、外側の光ファイバ１１ａ、１１ｄに対して内側の光ファイバ１１ｂ、１１ｃを短くしてある。光信号伝送路（光路）としては外側の２本の光ファイバ１１ａ、１１ｄが使用され、内側の２本の光ファイバ１１ｂ、１１ｃは後述のように外側の２本の光ファイバ１１ａ、１１ｄの長手方向の位置決めに使用される。

通常、光ファイバの端面は光の入出射効率を高めるために研磨作業が必要であり、本実施例においては光信号伝送路の役割を担う外側の２本の光ファイバ１１ａ、１１ｄについて研磨が必要となる。その場合、光信号伝送に係わらない内側の２本の光ファイバ１１ｂ、１１ｃが短くしてあるために容易に研磨作業を行なうことができ、作業効率の向上に寄与するものである。

なお、光信号伝送に係わらない内側の２本の光ファイバ１１ｂ、１１ｃは必ずしも光信号伝送路の役割を担う外側の２本の光ファイバ１１ａ、１１ｄと同一部材である必要はなく、外側の２本の光ファイバ１１ａ、１１ｄのピッチおよび長手方向の位置決めができるものであれば材料を問わず、廉価な材料で形成されたダミー線あるいはダミーブロックであってもかまわない。

第三の構成部品である接続金具２０は、上記実施例１と同様に、半田付けが可能な金属材料あるいは金属表面に半田付けが可能なメッキを施した材料からなる１枚の板状材料から、穴あけ、切断、曲げ等の加工によって作製されたものであり、４つの側板部２１ａ〜２１ｄと１つの上板部２２と該上板部２２に対向する開口２３を有する略箱形状を呈している。

１つの側板部２１ａにはテープファイバ４２の外側の２本の光ファイバ１１ａ、１１ｄが挿嵌される２つの光ファイバ挿嵌孔２４ａ、２４ｄが光ファイバ１１ａ、１１ｄと同一ピッチで形成されており、側板部２１ａに対向する側板部２１ｂには前記光ファイバ挿嵌孔２４ａ、２４ｄの夫々の中心に対向する位置をテープファイバ４２の外側の２本の光ファイバ１１ａ、１１ｄの中心としてテープファイバ４２を嵌合する横長の略半長円状のテープファイバ嵌合溝４３が形成され、テープファイバ嵌合溝４３の上端からは該テープファイバ嵌合溝４３の上端の長さよりも長い幅で上板部２２に到る拡大溝４４が形成されている。

上板部２２に到った拡大溝４４は、そのままの幅を保って上板部２２の途中まで側板部２１ａ側の光ファイバ挿嵌孔２４ａ、２４ｄの上方に向かって延びている。なお、テープファイバ嵌合溝４３および拡大溝４４は、テープファイバ４２を良好な作業性によって支持するようにしたものであるが、作業性に問題がなければテープファイバ挿嵌孔とすることも可能である。

図５は上記光半導体素子、テープファイバおよび接続金具で構成される光ファイバ接続構造の接続部をマザーボードに実装した状態を示す平面図であり、図６は図５のＡ−Ａ断面図である。

光半導体素子１、テープファイバ４２および接続金具２０で構成される光ファイバ接続構造の接続部の実装手順は、まず、マザーボード３０に形成された配線パターン（図示せず）上の所定の位置に半田ペーストを塗布する。この場合、印刷、転写等の方法も可能である。

次に、半田ペースト上の所定の位置に電極パターン３が位置するように光半導体素子１を該光半導体素子１の発光部４０および受光部４１の夫々の光軸をマザーボード３０と平行にして載置すると共に、同様に半田ペースト上の所定の位置に４つのフランジ部２７が位置するように接続金具２０を載置する。この場合、必要に応じて抵抗、コンデンサ、コネクタ等の他の回路部品も同様に半田ペースト上に載置する。

なお、光半導体素子１の電極パターンおよび接続金具２０のフランジ部２７とマザーボード３０の配線パターンとの半田接合は、一般的にはリフロー半田付けで行われるが、夫々が小型、軽量部品であることから、マザーボード３０の配線パターンの半田付けランドの寸法、形状や配線パターン上に予め塗布される半田量等を適切に設定することで、リフロー半田付け時の溶融半田の表面張力によるセルフアライメント効果によって夫々の部品の高精度な位置決めが施される。

更に、テープファイバ４２を接続金具２０の側板部２１ｂに設けられたテープファイバ嵌合溝４３上を移送して側板部２１ａに設けられた光ファイバ挿嵌孔２４ａ、２４ｄに向けて進め、光ファイバ１１ａ、１１ｄを夫々光ファイバ挿嵌孔２４ａ、２４ｄに挿通して更にテープファイバ４２の光ファイバ１１ｂ、１１ｃの端面４５が側板部２１ａの内面３２に当接するまで進める。

そして、テープファイバ４２が側板部２１ｂのテープファイバ嵌合溝４３上に載置され、且つテープファイバ４２の光ファイバ１１ｂ、１１ｃの端面４５が側板部２１ａの内面３２に当接した状態を保ちながら、テープファイバ４２の少なくとも一部と接続金具２０とを所定の位置で接着して固定する。

すると、テープファイバ４２の長手方向に対する光ファイバ１１ａ、１１ｄの夫々の端面３３ａ、３３ｄの位置決めは、光ファイバ１１ｂ、１１ｃの端面４５が接続金具２０の側板部２１ａの内面３２に当接することによって行なわれ、テープファイバ４２の長手方向に垂直な面方向に対する光ファイバ１１ａ、１１ｄの端面３３ａ、３３ｄの角度および位置決めは、テープファイバ４２が接続金具２０のテープファイバ嵌合溝４３に固定された部分と光ファイバ１１ａ、１１ｄが接続金具２０の光ファイバ挿嵌孔２４ａ、２４ｄに嵌合された部分の２箇所によって行なわれることになる。そのため、光ファイバ１１ａ、１１ｄの端面３３ａ、３３ｄの位置および角度を高精度に位置決めすることが可能である。

その結果、光ファイバ１１ａの端面３３ａの光軸Ｘ_１と光半導体素子１の発光部の４０の凸レンズ７の頂点３４を通る光軸Ｘ_１、および光ファイバ１１ｄの端面３３ｄの光軸Ｘ_２と光半導体素子１の受光部４１の光入射面４６を通る光軸Ｘ_２は夫々一直線上に位置し、且つ光ファイバ１１ａの端面３３ａと光半導体素子１の発光部４０の凸レンズ７の頂点３４、および光ファイバ１１ｄの端面３３ｄと光半導体素子１の受光部４１の光入射面４６は夫々は所定の距離を確保することが可能となる。つまり、光ファイバ１１ａと光半導体素子１の発光部４０、および光ファイバ１１ｄと光半導体素子１の受光部４１の位置決めを高精度に行なうことができるために、高い光結合効率を得ることができる。

なお、接続金具２０に係止爪のようなテープファイバ４２を着脱可能にする手段を設けることによって、接着工程を削除することもできる。

また、光半導体素子１の発光部４０の光出射面６および受光部４１の光入射面４６の形状は夫々必要に応じて最適設計されるものであり、光入出射面のいずれか一方または両方にレンズを形成する場合も、形状、大きさ等はそのときの設計仕様に基づいて設定される。

本実施例は２本の光フアイバ（２つの光信号伝送路）による双方向光伝送路で全二重光通信を行なうシステムに適用した例である。そのため、光半導体素子１は、半導体発光チップを封止する封止樹脂と半導体受光チップを封止する封止樹脂とを独立して形成することによって、発光部から出射した光が直接受光部に入射しないように光学的な分離を行なっている。これにより、受光部で検知した光伝送信号のＳ／Ｎ比の向上が図られている。

図７は本実施例によって構成した双方向光伝送路の例を示したものである。それは、上記光ファイバ接続構造を有する光結合部４７ａ、４７ｂを２箇所に設けており、夫々は光信号の入・出力機能を有している。

マザーボード３０ａに実装された一方の光結合部４７ａを構成する光半導体素子１の発光部４０から出射した光信号は、テープファイバ４２の光ファイバ１１ａに導入されて該光ファイバ１１ａ内を導光され、光ファイバ１１ａから放出された光信号はマザーボード３０ｂに実装された他方の光結合部４７ｂを構成する光半導体素子１の受光部４１に入射する。

同様に、マザーボード３０ｂに実装された他方の光結合部４７ｂを構成する光半導体素子１の発光部４０から出射した光信号は、テープファイバ４２の光ファイバ１１ｄに導入されて該光ファイバ１１ｄ内を導光され、光ファイバ１１ｄから放出された光信号はマザーボード３０ａに実装された一方の光結合部４７ａを構成する光半導体素子１の受光部４１に入射する。

このように、２本の光信号伝送路（光ファイバ１１ａ、１１ｄ）を介して伝送される夫々の光信号を同時に入出力することによって全二重方式の光通信を行なうことが可能となる。ここで、光ファイバ１１ａと１１ｄの間には使用していない１１ｂと１１ｃが存在することで、ファイバの端面（光入出力部）においても空間的に分離されており、テープファイバがＳ／Ｎ比の低下を招くことはない。

この場合、２本の光伝送路となる光ファイバ１１ａ、１１ｄはテープファイバ４２に一体化されており、テープファイバ４２を接続金具２０に実装することによって個々に実装することなく一括実装が可能である。そのため、作業効率が向上し、製造コストを低減することができる。

また、実施例１においては光信号伝送路が１チャンネル、実施例２においては光信号伝送路が２チャンネルであったが、光信号伝送路となる光ファイバを増やすことにより光信号伝送路を３チャンネル以上に増設することも可能である。

以上述べたように、本発明の光ファイバ接続構造は、光ファイバと光半導体素子とを光学的に接続するために設ける部品は接続金具のみであるために部品点数が少ない。その結果、金型費を含めた材料費の低減及び製造工数の削減による組み立て費の低減によって製品の製造コストを低減することができる。

また、光ファイバと光半導体素子とは接触していない。よって、光ファイバに外力が加わった場合や、周囲温度の上昇によって光ファイバが熱膨張した場合でも光半導体素子に圧力が加わることはなく、光半導体素子の信頼性を損ねることはない。

また、組立て時に光ファイバの端面と光半導体素子とが接触することはなく、夫々の光結合面の傷に起因する光結合効率の低下を排除することができる。

また、光結合部を実装するマザーボードは一般的に使用されているような、絶縁基材に配線パターンを形成したプリント回路基板を使用することができ、材料コストを抑えることができる。

更に、本発明によれば工程上、ファイバを実装するのは接続金具を半田付けした後の冷却後である。よって、ファイバには半田付けに耐え得る耐熱性は要求されず、安価なプラスチックファイバを使用することができる。

つまり、本発明は、光半導体素子と光ファイバとの接続が機構的に簡単に、高精度で再現性良く行なわれ、光学的には接続損失が少なくて結合効率が高いと共に光信号伝達の確実性が高く、経済的には部品点数が少なくて製造コストが低減でき、大きさにおいては光学的な接続に寄与しないスペースの占める割合が極めて小さいために小型化が可能であり、そのため設計においては自由度が高い、などの優れた効果を奏するものである。

本発明の光ファイバ接続構造に係わる実施例１を示す分解斜視図である。本発明の光ファイバ接続構造に係わる実施例１をマザーボードに実装した実装図である。図２のＡ−Ａ断面図である。本発明の光ファイバ接続構造に係わる実施例２を示す分解斜視図である。本発明の光ファイバ接続構造に係わる実施例２をマザーボードに実装した実装図である。図５のＡ−Ａ断面図である。本発明の光ファイバ接続構造に係わる実施例２をマザーボードに実装した他の実装図である。従来の光ファイバ接続構造を示す断面図である。従来の他の光ファイバ接続構造を示す斜視図である。

符号の説明

１光半導体素子
２絶縁基材
３電極パターン
４プリント基板
５封止樹脂
６光出射面
７凸レンズ
１０光ファイバケーブル
１１、１１ａ〜１１ｄ光ファイバ
１２保護ジャケット
１３端面
２０接続金具
２１ａ〜２１ｄ側板部
２２上板部
２３開口
２４、２４ａ、２４ｄ光ファイバ挿嵌孔
２５保護ジャケット嵌合溝
２６保護ジャケット挟持溝
２７フランジ部
３０、３０ａ、３０ｂマザーボード
３１半田
３２内面
３３、３３ａ、３３ｄ端面
３４頂点
４０発光部
４１受光部
４２テープファイバ
４３テープファイバ嵌合溝
４４拡大溝
４５端面
４６光入射面
４７ａ、４７ｂ光結合部

Claims

マザーボード上に実装した接続金具に固定された、光ファイバを保護ジャケットで被覆した光ファイバケーブルと前記マザーボード上に実装した光半導体素子とを光学的に結合する光ファイバ接続構造であって、
前記接続金具は前記光半導体素子側に位置する側板部に前記光ファイバケーブルの光ファイバを挿嵌する光ファイバ挿嵌孔が形成されると共に、前記側板部に対向して位置する側板部に前記光ファイバケーブルの保護ジャケットを嵌合する保護ジャケット嵌合溝が形成されており、
前記接続金具の光ファイバ挿嵌孔に前記光ファイバケーブルの保護ジャケットが剥離されて露出した光ファイバを挿嵌し、前記接続金具の保護ジャケット嵌合溝に前記光ファイバケーブルの保護ジャケットを嵌合し、前記光ファイバ挿嵌孔が形成された側板部の前記光半導体素子と対向する面の反対面に前記光ファイバケーブルの前記光ファイバが露出した側の保護ジャケットの端面が当接した状態で、前記接続金具に前記光ファイバケーブルが固定されることによって、前記光半導体素子の光入出射面に対する前記光ファイバケーブルの前記光ファイバ端面の、該光ファイバケーブルの長手方向および前記光ファイバケーブルの長手方向に垂直な面方向の位置決めがなされ、前記光半導体素子の光入出射面の光軸と前記光ファイバの端面の光軸とが略同一線上に位置することを特徴とする光ファイバ接続構造。
前記接続金具の側板部に形成された光ファイバ挿嵌孔は、略円形または略多角形であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ接続構造。
前記接続金具の側板部に形成された保護ジャケット嵌合溝は、略円弧状または略コ字状であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の光ファイバ接続構造。
前記接続金具には複数のフランジ部が形成されており、該フランジ部が前記マザーボードに形成された導体パターンと導電部材を介して接合されることによって前記接続金具が前記マザーボードに固定されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバ接続構造。
前記光半導体素子は前記マザーボードに該光半導体素子の光軸が前記マザーボードと略平行となるように実装されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光ファイバ接続構造。
マザーボード上に実装した接続金具に固定された、光信号伝送路となる複数の光ファイバを有する平面状のテープファイバと前記マザーボード上に実装した受光部及び発光部、又は、複数の受光部又は発光部を有する光半導体素子とを光学的に結合する光ファイバ接続構造であって、
前記接続金具は前記光半導体素子側に位置する側板部に前記テープファイバの光信号伝送路となる光ファイバを挿嵌する複数の光ファイバ挿嵌孔が形成されると共に、前記側板部に対向して位置する側板部に前記テープファイバを嵌合するテープファイバ嵌合溝が形成されており、
前記接続金具の光ファイバ挿嵌孔に前記テープファイバの該テープファイバの他の部分よりも突出して配置された光信号伝送路となる光ファイバを挿嵌し、前記接続金具のテープファイバ嵌合溝に前記テープファイバを嵌合し、前記光ファイバ挿嵌孔が形成された側板部の前記光半導体素子と対向する面の反対面に前記テープファイバの光信号伝送路となる光ファイバが挿嵌された側の前記光信号伝送路となる光ファイバ以外の部分の端面が当接した状態で、前記接続金具に前記テープファイバが固定されることによって、前記光半導体素子の夫々の光入出射面に対する前記テープファイバの光信号伝送路となる夫々の光ファイバ端面の、該光テープファイバの長手方向および前記テープファイバの長手方向に垂直な面方向の位置決めがなされ、前記光半導体素子の夫々の光入出射面の光軸と前記テープファイバの光信号伝送路となる夫々の光ファイバ端面の光軸とが夫々略同一線上に位置することを特徴とする光ファイバ接続構造。
前記接続金具の側板部に形成された光ファイバ挿嵌孔は、略円形または略多角形であることを特徴とする請求項６に記載の光ファイバ接続構造。
前記接続金具の側板部に形成された保護ジャケット嵌合溝は、横長の略半長円状または横長の略コ字状であることを特徴とする請求項６または７のいずれか１項に記載の光ファイバ接続構造。
前記接続金具には複数のフランジ部が形成されており、該フランジ部が前記マザーボードに形成された導体パターンと導電部材を介して接合されることによって前記接続金具が前記マザーボードに固定されることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の光ファイバ接続構造。
前記光半導体素子は前記マザーボードに該光半導体素子の受発光部の夫々の光軸が前記マザーボードと略平行となるように実装されることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の光ファイバ接続構造。