JP2009133908A - 光送受信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品数が少なく、低コスト化及び小型化を達成可能な光送受信装置の提供。
【解決手段】光ファイバを固定した円柱状のフェルールと、受発光素子を搭載した円柱状の突出部を備えたサブマウントと、それらを位置合わせし固定するための円筒状のスリーブとを有することを特徴とする光送受信装置。フェルールは、円柱の中心軸線からずれた位置に光ファイバ固定用の穴を有し、受発光素子は、サブマウントの突出部にその円柱の中心軸線からずれた位置に搭載され、これらのフェルールとサブマウントとは、スリーブの中心軸線に合わせて位置合わせされることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子、受光素子と光導波路をパッシブアライメントにより結合してなる光送受信装置に関する。本発明の光送受信装置は、サーバーなどの高速通信機器、自動車内光配線、携帯電話などの小型電子機器に用いられる可能性がある。

近年、サーバーなどの高速通信機器、自動車内光配線、携帯電話などの小型電子機器に、受発光素子とこれらを結ぶ光導波路とを有する光送受信装置が適用されつつある。これらの機器は小型化と低コスト化がすすみ、それに伴い、光送受信装置についても小型化と低コスト化の要求が強い。

光送受信装置において、受発光素子と光導波路の結合は、従来のアクティブアライメント方式（受発光素子を駆動させて、最適な位置を探しながら組み立てる）に代わり、より安価な結合が可能な、パッシブアライメント方式（受発光素子を駆動させず、機械的な位置決めにより組み立てる）が積極的に検討されている。

本発明に関連すると思われる従来技術として、特許文献１，２が挙げられる。
特許文献１には、発光素子を実装した基板と、それを封止する蓋を有し、蓋の上に位置合わせのためのスリーブと、ポストを有する構造が開示されている。この構造では、フェルールを取り付けた光ファイバを前記スリーブに嵌め込むようになっている。この文献には、フェルール、基板と、そこに配置される光ファイバ、発光素子の位置について、小型化を考えた記載はない。

特許文献２には、発光素子を実装するサブストレートと、位置決め用のリッドとを有し、フェルールを取り付けた光ファイバを、リッドとサブストレートで位置合わせして固定する構造が開示されている。この構造では、フェルール、リッド、サブストレートは樹脂で接着しており、内部の発光素子が実装されている空間は気密とされている。この文献には、フェルール、基板と、そこに配置される光ファイバ、発光素子の位置について、小型化を考えた記載はない。
特開２００５−９４０２１号公報 特開平８−１６６５２３号公報

しかしながら、前記従来技術には、次のような問題があった。
特許文献１に開示された従来技術は、部品数が多いため、コスト高になるという問題がある。また、十分な小型化がなされていない。
特許文献２に開示された従来技術は、十分な小型化がなされていない。

本発明は、前記事情に鑑みてなされ、部品数が少なく、低コスト化及び小型化を達成可能な光送受信装置の提供を目的とする。

前記目的を達成するため、本発明は、光ファイバを固定した円柱状のフェルールと、受発光素子を搭載した円柱状の突出部を備えたサブマウントと、それらを位置合わせし固定するための円筒状のスリーブとを有することを特徴とする光送受信装置を提供する。

本発明の光送受信装置において、円柱状のフェルールは、円柱の中心軸線からずれた位置に光ファイバ固定用の穴を有し、受発光素子は、サブマウントの突出部にその円柱の中心軸線からずれた位置に搭載され、これらのフェルールとサブマウントとは、円筒状のスリーブの中心軸線に合わせて位置合わせされることが好ましい。

本発明の光送受信装置において、円柱状のフェルールとサブマウントの突出部をそれぞれ挿入したスリーブ内に空隙なく樹脂が充填され、この樹脂により、受発光素子のボンディングワイヤが完全に覆われていることが好ましい。

本発明の光送受信装置において、発光素子が面発光レーザであることが好ましい。

本発明の光送受信装置において、サブマウントは、全芳香族ポリエステル系液晶ポリマー製の射出成型物であることが好ましい。

本発明の光送受信装置において、サブマウントは、突出部に連なる基部に、基板と電気的接続を取るための電極を設けた拡張部が設けられ、基板は、サブマウントの基部が挿入される切欠部とその周囲の電極とが設けられ、サブマウントの基部を基板の切欠部に挿入した状態で、サブマウントの拡張部の電極と基板の切欠部周囲の電極とが電気的に接続されるように構成されたことが好ましい。

本発明の光送受信装置において、円柱状のフェルールとサブマウントの突出部とのそれぞれの外周面に断面円形の一部を平らにした面取り部が設けられ、且つ円筒状のスリーブの中空部に前記面取り部と対応する形状の面取り部が設けられたことが好ましい。

本発明の光送受信装置は、光ファイバを固定した円柱状のフェルールと、受発光素子を搭載した円柱状の突出部を備えたサブマウントと、それらを位置合わせし固定するための円筒状のスリーブとを有する構成としたことにより、最低限の部品点数で光送受信装置を構成でき、低コストで小型の光送受信装置を提供することができる。
本発明の光送受信装置において、円柱状のフェルールとサブマウントの突出部をそれぞれ挿入したスリーブ内に空隙なく樹脂を充填することによって、ボンディングワイヤの保護、及び受発光素子の固定を行うことができ、機械的強度が高く、防水や防塵性に優れた信頼性の高い光送受信装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の光送受信装置の一実施形態を示す組立斜視図である。図中、符号１は光ファイバ、２はフェルール、２Ａは面取り部、２Ｂは光ファイバ挿入孔、３はスリーブ、３Ａは面取り部、４はサブマウント、４Ａは面取り部、４Ｂは拡張部、４Ｃは基部、４Ｄは突出部、５は基板、５Ａは切欠部、６は受発光素子、７は電極である。

本実施形態の光送受信装置は、光ファイバ１を固定した円柱状のフェルール２と、受発光素子６を搭載した円柱状の突出部４Ｄを備えたサブマウント４と、それらを位置合わせし固定するための円筒状のスリーブ３と、サブマウント４を実装する基板５とを備えて構成されている。なお、本実施形態では、光送受信装置を全体的に小型化し、特に、低背化することを目指している。

本実施形態の光送受信装置は、一部に平面状の面取り部２を持つ円柱状のフェルール２の光ファイバ挿入孔２Ｂに光ファイバ１を挿入し、一部に平面状の面取り部４Ａを持つ円柱状の突出部４Ｄに受発光素子６を実装し、このフェルール２と突出部４Ｄとを円筒状のスリーブ３の中空部にそれぞれ挿入し、位置合わせを行うことで、光ファイバ１の端面と、受発光素子６の受発光面とを光学的に結合できるようになっている。また、サブマウント４は、その基部４Ｃを基板５に形成した切欠部５Ａに挿入することで、この基部４Ｃに設けられた翼状の拡張部４Ｂが基板５に当接し、且つ拡張部４Ｂの裏側に設けられた電極と、基板５の切欠部５Ａ周囲に設けられた電極７とが電気的に接続されるようになっている。

また図２は、本実施形態の光送受信装置に用いられる受発光素子の構造を例示する斜視図であり、図中、符号１１はカソード、１２はアノード、１３は受発光部、１４は面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）などの受発光素子、１５はボンディングワイヤである。この受発光素子１４は、裏面がベタ電極（アノード１２）で、表面にカソード１１を有し、カソード１１はワイヤボンディングにより基板と導通するタイプの受発光素子（ＶＣＳＥＬ、ＬＥＤ、ＰＤなど）を示している。この種の受発光素子は、表面電極と基板面電極をワイヤでつなぐ仕組みになっている。受発光素子から基板にワイヤを伸ばす際、ワイヤの取り回しの関係で、受発光素子のすぐ脇にワイヤを落とすのは不可能である。ワイヤにある程度の余裕を持たせて、ループを描くように結線しなければならない。そうしないとワイヤが切れてしまう。その為受発光素子の実装には、基板上である程度の面積が必要になる。

なお、本発明において、受発光素子の種類は何でも良い。ＶＣＳＥＬは実装面と垂直方向に出射するので、サブマウントを用いて実装面と平行方向に出射方向を変えることができる。本発明は、サブマウントを用いて受発光素子を実装しているので、ＶＣＳＥＬを用いる場合、特に有効である。光導波路の種類は、ファイバ状であれば何でも良い。例えば、石英ガラス製光ファイバ、アクリル樹脂性ＰＯＦ（プラスチック光ファイバ）などを用いることができる。

本実施形態の光送受信装置は、図１に示すように、光ファイバ１を固定した円柱状のフェルール２と、受発光素子６を搭載した円柱状の突出部４Ｄを備えたサブマウント４を、円筒状のスリーブ３内で嵌め合わせ、位置合わせおよび固定を行うことができる。円柱および円筒を用いたこの組み合わせでパッシブアラメントを行う本実施形態の構造は、最もシンプルであり、かつ最小限度の構成部分で達成される。円筒および円柱の部材は、精度の高い金型を作り易く、射出成型で高精度の部品を作製し易いので工業的にも望ましい。

図３及び図４は、サブマウントに受発光素子を実装する位置を中心にした場合（図３）と、中心からずらした場合（図４）とのサブマウントの外径の差を例示する図であり、これらの図中、符号１６はサブマウント突出部、１７は受発光素子、１８は受発光部、１９はカソード、２０は電極（サブマウント電極パッド）、２１はボンディングワイヤである。サブマウント突出部１６の実装面（円柱状をなす突出部の先端面）に受発光素子１７を実装する場合、前述した通り、ある面積が必要になる。サブマウント突出部１６上の実装面の中心に受発光素子１７を配置すると、図３に示すように余分な面積が発生してしまい、サブマウント突出部１６が大型化してしまう。一方、図４のように実装面の中心からずらした位置に受発光素子１７を実装することで、サブマウント突出部１６の外径を大幅に縮小することができる。それに合わせ、円柱状のフェルール２の光ファイバ挿入孔２Ｂの穿設位置も、フェルール中心からずらすことで、全体として小型化が達成できる。

本実施形態では、図１に示す構造において、円筒状のスリーブ３内に適量の樹脂を充填して、その中空部に円柱状のフェルール２とサブマウント４の突出部４Ｄとを挿入し、嵌め合わせ、固定させている。それにより、フェルール２及びサブマウント４とスリーブ３との固定の他、受発光素子６とサブマウント４との固定、受発光素子６のボンディングワイヤの保護も兼ねる。ボンディングワイヤは、通常、結線後、速やかに樹脂などで封止し保護しなければならないが、本実施形態では、フェルール２とサブマウント４との間に充填する樹脂でワイヤの保護を行う仕組みであるため、従来のように別途ワイヤ保護のための樹脂を塗布する必要がない。充填する樹脂は、通信に用いる光線の波長に対し、十分な透過度があるものを用いる。例えば、発光素子に発光波長８５０ｎｍのＶＣＳＥＬを用いる場合、熱硬化性または化学反応硬化性のアクリル系またはエポキシ系またはポリイミド系またはシリコーン系の樹脂材料を用いることができる。

本実施形態では、サブマウント４の表面および内部に電気回路を設け、実装された受発光素子６と、基板５とが導通できるようになっている。図５は、本実施形態において好適に用いられるサブマウント４の一例を示す斜視図である。サブマウント４は、どのような材質でも、製法でもかまわないが、例えば、全芳香族ポリエステル系などの液晶ポリマーを用い、射出成型によりサブマウント４を作製することができる。また液晶ポリマーを用いたＭＩＤ成型により、サブマウント表面および内部に電気回路を同時形成することができる。液晶ポリマーを用いた射出成型部品を用いることにより、他の加工部品と比較して、より安価な装置を構成することができる。図５に示すサブマウント４は、断面略Ｔ字状をなす基部４Ｃの一端面から、円柱の両側に面取り部４Ａが設けられた突出部４Ｄが形成され、この突出部４Ｄの先端面に、受発光素子をベタ置きするためのアノード用電極８が設けられ、且つ他の部分に受発光素子表面のカソードからワイヤボンディングにより電気接続するためのカソード用電極９が設けられている。これらの電極８，９は、基部４Ｃの両側の拡張部４Ｂの裏面にそれぞれ延長されている。

本実施形態では、図１に示す構造において、サブマウント４の基部４Ｃを実装するための切欠部５Ａを基板５に設け、ここにサブマウント４の基部４Ｃを実装する。これにより、基板５の厚さの分、全体の高さが低く抑えられる。サブマウント４と基板５の電気的接合は、前記の通りサブマウント４の拡張部４Ｂ裏面に電極を設け、基板５の切欠部５Ａ周辺に、拡張部４Ｂ裏面の電極に対応する電極７を形成しておくことで電通させる。サブマウント４と基板５との接合は、通常の部品を基板に実装するのと同様で、導電性ペースト、半田ペースト、半田接合、などで行うことができる。

本実施例において、フェルール２とサブマウント４の突出部４Ｄは、完全な円柱ではなく、一面以上の面取り部２Ａ、４Ａを有する。これに合わせ、スリーブ３の円筒は、前記面取り部２Ａ，４Ａを有するフェルール２とサブマウント４の外周がピタリと嵌め合わさるように面取り部３Ａが形成されている。偏芯してサブマウント４に搭載されている受発光素子６は、円柱状のフェルール２及びサブマウント４の突出部４Ｄが単なる円柱だと、スリーブ３内で位置を合わせることが難しい。少なくともこれらの一部を面取りしてやることで、容易に位置合わせが出来るようになる。本実施形態では、図６に示すように、サブマウント４の突出部４Ｄ及び円柱状のフェルール２の円柱の面取り部２Ａ，４Ａに合わせて、スリーブ３内の形状も平面部を設けてある。

このように本実施形態では、サブマウント４の突出部４Ｄ及び円柱状のフェルール２の円柱の面取り部２Ａ，４Ａに合わせて、スリーブ３内の形状も平面状の面取り部３Ａを設けてある。図７の例示では、スリーブ３内の面取り部３Ａは２段構造としてある。こうすることでサブマウント表面に形成した電気回路が擦れることなく、信頼性の高い組み上げと、駆動が達成される。

図８に示す構成の光送受信装置を作製した。光導波路にはコア径５０μｍのグレーデッドインデックス型の石英ガラス製光ファイバ１を採用した。発光素子には、発光波長８５０ｎｍのＶＣＳＥＬ２２を用いた。受光素子には８５０ｎｍに十分な受光感度を持つＰＤ２３を用いた。
フェルール２、スリーブ３及びサブマウント４は、全芳香族ポリエステル系の液晶ポリマーを用い、射出成型で作製した。それぞれの形状は図６を参照。サブマウント４はＭＩＤ成型によりサブマウント表面に電気回路を設けた。電気回路は金メッキで形成した。
まず、フェルール２に光ファイバ１を通し、接着剤で固定した。固定には、熱硬化性のエポキシ系接着剤を用いた。固化させた後、図９に示すように、符号２４で示す固定部において接着固定した光ファイバ１に対して、フェルール２の先端から所定の距離の部分にＣＯ_２レーザ装置２５からＣＯ_２レーザを照射し、切断した。ＣＯ_２レーザで切断することにより、光ファイバ１に対し先端は若干球状に丸まった状態で切除され、研磨などを施さなくても十分に伝送が可能な状態を作ることができる。
次に、サブマウント４にＶＣＳＥＬ２２およびＰＤ２３を実装した。ＶＣＳＥＬ２２およびＰＤ２３のベアチップは、導電性銀ペーストを用いてアノードを固定し、その後、ワイヤボンディングでカソードとサブマウント４上の電極とを結線した。
次に、サブマウント４を基板５に実装した。基板５はＦＲ製の厚さ０．５ｍｍの基板を用いた。基板５はサブマウント４がはめ込まれるよう、あらかじめ切欠部を作製しておいた。基板５上のランド部（電極部）に半田ペーストを塗布し、サブマウント４を実装した後、リフロー炉を用いて、半田を溶融、固化させ、サブマウント４を固定した。
次に、フェルール２をつけた光ファイバ１と、ＶＣＳＥＬ２２およびＰＤ２３を実装したサブマウント４をスリーブ３に差込、固定した。差し込む際、熱硬化性のエポキシ樹脂を適量塗布し、内部に空間が残らないよう、組み上げた。

実施例１で作製した光送受信装置で伝送実験を行った。光送受信装置に、ＶＣＳＥＬ駆動回路、トランスインピーダンスアンプをつなぎ、光伝送実験を行った。市販のデジタルデータアナライザを用いてビットエラーレートの測定を行ったところ、駆動速度１．０ＧＨｚにおいて、４時間駆動し、エラーフリーを達成できた。
また、市販のサンプリングオシロスコープを用いて、アイパターンの測定を行ったところ、十分な開口が得られていることが確認できた。
また、同様に、画像信号の伝送実験を行った。ＣＣＤカメラから出力されるアナログ信号をデジタル変換し、さらにシリアル化した後、ＬＶＤＳ方式で伝送を行った。アナログ変換、シリアル化、ＬＶＤＳ対応信号変換は、市販の通信レポートを用いて行った。実験の結果、ＣＣＤカメラの映像をリアルタイムで伝送し、ディスプレイに表示することができた。

本発明の光送受信装置の一実施形態を示す組立斜視図である。 本発明の光送受信装置に用いる受発光素子を例示する斜視図である。 サブマウント突出部の先端面中央に受発光素子を実装した状態を示す側面図である。 サブマウント突出部の先端面中央からずれた位置に受発光素子を実装した状態を示す側面図である。 本発明の光送受信装置に用いるサブマウントの斜視図である。 本発明の光送受信装置の一実施形態を示す組立斜視図である。 本発明の光送受信装置に用いるスリーブを示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は一部断面視した正面図である。 実施例１で作製した光送受信装置の平面図である。 実施例１で用いた光ファイバのレーザ切断工程を示す構成図である。

符号の説明

１…光ファイバ、２…フェルール、２Ａ…面取り部、２Ｂ…光ファイバ挿入孔、３…スリーブ、３Ａ…面取り部、４…サブマウント、４Ａ…面取り部、４Ｂ…拡張部、４Ｃ…基部、４Ｄ…突出部、５…基板、５Ａ…切欠部、６…受発光素子、７…電極、８…アノード用電極、９…カソード用電極、１１…カソード、１２…アノード、１３…光出射部、１４…受発光素子、１５…ボンディングワイヤ、１６…サブマウント突出部、１７…受発光素子、１８…受発光部、１９…カソード、２０…電極、２１…ボンディングワイヤ、２２…ＶＣＳＥＬ、２３…ＰＤ、２４…固定部、２５…ＣＯ_２レーザ装置。

Claims (7)

1. 光ファイバを固定した円柱状のフェルールと、受発光素子を搭載した円柱状の突出部を備えたサブマウントと、それらを位置合わせし固定するための円筒状のスリーブとを有することを特徴とする光送受信装置。
2. 円柱状のフェルールは、円柱の中心軸線からずれた位置に光ファイバ固定用の穴を有し、受発光素子は、サブマウントの突出部にその円柱の中心軸線からずれた位置に搭載され、これらのフェルールとサブマウントとは、円筒状のスリーブの中心軸線に合わせて位置合わせされることを特徴とする請求項１に記載の光送受信装置
3. 円柱状のフェルールとサブマウントの突出部をそれぞれ挿入したスリーブ内に空隙なく樹脂が充填され、この樹脂により、受発光素子のボンディングワイヤが完全に覆われていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光送受信装置。
4. 発光素子が面発光レーザであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光送受信装置。
5. サブマウントは、全芳香族ポリエステル系液晶ポリマー製の射出成型物であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光送受信装置。
6. サブマウントは、突出部に連なる基部に、基板と電気的接続を取るための電極を設けた拡張部が設けられ、基板は、サブマウントの基部が挿入される切欠部とその周囲の電極とが設けられ、サブマウントの基部を基板の切欠部に挿入した状態で、サブマウントの拡張部の電極と基板の切欠部周囲の電極とが電気的に接続されるように構成されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光送受信装置。
7. 円柱状のフェルールとサブマウントの突出部とのそれぞれの外周面に断面円形の一部を平らにした面取り部が設けられ、且つ円筒状のスリーブの中空部に前記面取り部と対応する形状の面取り部が設けられたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光送受信装置。

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