JP2009229601A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光接続が容易な光モジュールを低コストで製造することができる光モジュールを提供する。
【解決手段】光伝送体を保持する保持部材６等を備えた上部構造体５と、配線基板７０上に配置され、光素子４０を含む電子部品が樹脂製基板３１に搭載された電子部品搭載基板３０と、配線基板７０上に設けられ、光素子搭載基板３０の光素子４０に対して上部構造体５の光伝送路が光学的に接続される装着体とを備えているものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、光モジュールに関するものである。

光を情報伝送媒体とする光通信分野においては、光ファイバ等により伝送される光信号を受信または送信するため、光信号と電気信号とを相互に変換する光素子を備えた光モジュールが用いられている。電気信号から光信号への変換には、垂直共振器表面発光レーザ（Vertical cavity surface-emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）に代表される面発光素子が用いられ、光信号から電気信号への変換には、ＰＩＮフォトダイオードに代表される面受光素子が用いられており、これらの光素子は基板に対して電気的に接続され、光ファイバ等は光素子に対して光学的に接続される。

このような光モジュールは、配線基板（プリント配線板あるいはボード）上において光ファイバ等の光配線をする際の作業性や、保守交換の容易性などの点から、光ファイバ等の光伝送体がコネクタを介して着脱可能であることが望ましい。

また、光素子に光ファイバ等を着脱する場合、配線基板に対して水平方向に着脱する構造にすると、光素子を搭載した部品の周辺に光ファイバ等を着脱する作業用のスペースを設けざるを得ないことから、そのスペースには他の部品を実装できず、実装密度を上げられないという問題がある。したがって、光ファイバ等の着脱は配線基板に対して垂直方向に行うことができることが望ましい。

従来、このような要求に対応するものとして、光素子をその受発光面が配線基板に対して水平になるように搭載すると共に、光ファイバ等の端面に反射ミラー等を設けて光軸を垂直に変換したコネクタを用いることで、光ファイバ等と光素子とを垂直方向へ着脱自在に光学的に接続する光モジュールが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００６−６５３５８号公報

上記のような光ファイバ等と光素子とを垂直方向へ着脱自在に光学的に接続する光モジュールにおいては、光ファイバ等のコネクタである上部構造体を、光素子を含む各種の電子部品が搭載された基板に対して、基板上に搭載した光素子に光ファイバ等を光学的に位置合わせしている。ここで、電子部品が搭載された基板は、たとえばセラミック基板が採用され、これに内部配線等の電気配線を施して電子部品等を搭載したものが用いられる。しかしながら、光モジュールは低コストで製造することが求められており、このようにセラミック基板に内部配線を施す作業は煩雑であるだけでなく、光接続のための位置決め精度にも限界がある。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、光接続が容易な光モジュールを低コストで製造することができる光モジュールを提供することを課題としている。

本発明は以下のことを特徴としている。

第１には、光信号を伝送する光伝送路と、光信号を電気信号に変換し、または電気信号を光信号に変換する光素子とを光学的に接続する光モジュールであって、光伝送路を形成する光伝送体および当該光伝送体を保持する保持部材を備えた上部構造体と、配線基板上に配置され、光素子を含む電子部品が樹脂製基板に搭載された電子部品搭載基板と、配線基板上の電子部品搭載基板の上面に上部構造体を垂直方向に押圧して固定することにより、電子部品搭載基板の光素子に対して上部構造体の光伝送路を光学的に接続する装着体とを備えていることを特徴とする。

第２には、第１の発明において、上部構造体の光伝送体と電子部品搭載基板の光素子とが位置決めされて光学的に接続される位置決め部が、電子部品搭載基板の樹脂製基板と一体に成形されていることを特徴とする。

第３には、第２の発明において、電子部品搭載基板の樹脂製基板には、電子部品が搭載され、周縁に立設された壁部で囲まれるキャビティが形成されており、上部構造体を電子部品搭載基板上に配置したときに、上部構造体が電子部品搭載基板の樹脂製基板の壁部上面が当接することにより、上部構造体の光伝送体と電子部品搭載基板の光素子とが垂直方向に位置決めされて光学的に接続されることを特徴とする。

第１の発明によれば、樹脂製基板を採用したことにより、樹脂製基板の樹脂成形の際に金属体のインサート成形によって内部配線を一体に形成することができるため作業が簡便になると共に光接続のための位置決め精度を向上させた光モジュールを低コストで製造することができる。

第２の発明によれば、上部構造体の光伝送体と電子部品搭載基板の光素子とが位置決めされて光学的に接続される位置決め部が、電子部品搭載基板の樹脂製基板と一体に成形されていることにより、上記第１の発明の効果に加えて、光接続のための位置決め精度をより一層向上させた光モジュールを低コストで製造することができる。

第３の発明によれば、電子部品搭載基板の樹脂製基板に、周縁に立設された壁部で囲まれるキャビティが形成されていることにより、上記第１の発明および第２の発明の効果に加えて、上部構造体の光伝送体と電子部品搭載基板の光素子とが垂直方向に位置決めされてより一層精度よく光学的に接続することができる光モジュールを低コストで製造することができる。

本明細書において、「光伝送体」には、ガラス製、樹脂製等の光ファイバ、樹脂製等の光導波路などが含まれる。以下の実施形態では光ファイバを用いた例を説明するが、本発明において適用される光伝送体はこれに限定されるものではなく、光導波路等のように、光伝送路を構成する各種のものを適用することができる。
「光素子」には、単一の受発光面を有するものの他、複数の受発光面がアレイ状等に配置された一体のものが含まれる。光素子の具体例としては、ＶＣＳＥＬ等の面発光素子、ＰＩＮフォトダイオード等の面受光素子が挙げられるが、これら面発光素子および面受発光素子の受発光面がアレイ状に配置された一体のものであってもよい。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１および図２は、本発明の一実施形態における光モジュールを示す斜視図であり、図１は光接続および電気接続を切り離した状態、図２は光接続および電気接続をした状態を示している。

図１に示すように、本実施形態の光モジュール１は、光ファイバ７が保持部材６により保持された上部構造体５と、光素子４０を搭載した光素子搭載基板３０と、異方導電性シート６０と、配線基板７０（プリント配線板あるいはボード）上に固定された嵌合部材５０とを備えている。

この光モジュール１は、配線基板７０上の嵌合部材５０内の開口部５１に異方導電性シート６０を配置し、その上に光素子搭載基板３０を配置し、さらにその上から上部構造体５を垂直に嵌めこんで図２に示すように装着することにより、上部構造体５の光ファイバ７と光素子搭載基板３０の光素子４０が光学的に接続し、光素子搭載基板３０と配線基板７０が異方導電性シート６０を介して電気的に接続されるようになっている。ここで、嵌合部材５０の側面部には、開口部５１の４辺それぞれの中央部から垂直に折り曲げられて上方に延びる側板部５３が立設され、これらの側板部５３は、上部構造体５を装着したときに保持部材６の外周部が当接して上部構造体５の水平方向の位置を規制するようにしている。図２に示す装着状態の光モジュール１は、全体として、たとえば幅１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ６．４ｍｍのコンパクトなサイズのモジュールを構成している。

図３（ａ）は上部構造体５の上面図、図３（ｂ）は下面図、図３（ｃ）は側面図である。上部構造体５は、樹脂製の保持部材６の背面から、複数本（本実施形態では１２本）の光ファイバ７が並列したテープファイバ８が保持部材６内に水平に入り込み、保持部材６内で光ファイバ７が円弧状に曲げられて図３（ｂ）に示すように光ファイバ７の端面７ａが保持部材６の下面から垂直に露出した構造を有している。

保持部材６の上面における光ファイバ７と平行な両側周縁部には、当該周縁部に沿ってテーパ面を成す一対の肩部１２が設けられており、図１の嵌合部材５０内に嵌め込んで装着したときに嵌合部材５０の上部に設けられた一対の突条部５２が保持部材６の肩部１２に当接して下方に押圧するようになっている。

また、図１に示すように、保持部材６には２つの位置決め穴１１が設けられており、図１の嵌合部材５０内に嵌め込んで装着したときに、光素子搭載基板３０に立設された位置決めピン４２が保持部材６の位置決め穴１１に挿入されて上部構造体５と電子部品搭載基板３０とが水平方向に位置決めされるようになっている。

保持部材６は、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように上側部材１０と下側部材２０とから構成されており、上側部材１０と下側部材２０によって光ファイバ７を挟み込んで保持するようになっている。上側部材１０の下面側には光ファイバ７の円弧形状に対応した曲面上に、たとえば断面Ｖ字状などのガイド溝が平行に設けられており、これらのガイド溝のそれぞれに光ファイバ７が１本ずつ配置され案内されるようになっている。一方、下側部材２０の上面側には光ファイバ７の円弧形状に対応した曲面を成す光ファイバ保持面が設けられており、上側部材１０と下側部材２０によって光ファイバ７を挟み込むことにより、上側部材１０のガイド溝と下側部材２０の光ファイバ保持面との間で光ファイバ７を円弧状に曲げられた状態で保持するようになっている。

図４は、電子部品搭載基板３０の上面側斜視図、図５は断面図である。図４に示すように、電子部品搭載基板３０は、外周縁に位置決め部９０としての壁部３２が立設された箱状の樹脂製基板３１を備えており、樹脂製基板３１上の前方側の位置には光ファイバ７と同数の受発光面が並んで配置された光素子４０が搭載されている。光素子４０は、面発光素子のＶＣＳＥＬと面受光素子のＰＩＮフォトダイオードから構成されている。壁部３２の上面３２ａは光学的基準面を構成しており、上部構造体５の下面に当接することにより、光ファイバ７の端面７ａと光素子４０とが垂直方向に位置決めされる。ここで樹脂製基板３１に用いられる材料としては、絶縁かつ高熱伝導性を有していれば特に限定されるものではなく、たとえば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）樹脂、ポリアミド樹脂等の熱可塑性樹脂に炭酸カルシウムやシリカ等の無機充填材を配合したものを挙げることができる。

樹脂製基板３１上における光素子４０の後方には、光素子４０のドライバ集積回路装置４１が搭載されており、光素子４０とドライバ集積回路装置４１はボンディングワイヤによって接続されている。その他、樹脂製基板３１上には他の電子部品が搭載されていると共に、樹脂製基板３１上の電子部品は、電子部品の直下あるいは電気配線３３等を介して、樹脂製基板３１の内部配線を通じて、樹脂製基板３１の裏面に設けられた、たとえばピッチ５００μｍ、直径３００〜３５０μｍ、高さ１０μｍで配置された裏面電極に電気的に接続されている。

樹脂製基板３１上における光素子４０の両側の位置には、突出高さ２ｍｍ、突出部分の直径０．７ｍｍの樹脂製の一対の位置決めピン４２が位置決め部９０として立設されており、これらの位置決めピン４２が上部構造体５の位置決め穴１１に挿入されることにより電子部品搭載基板３０と上部構造体５が水平方向に位置決めされるようになっている。この位置決めピン４２は、樹脂製基板３１と一体に成形される。

図５に示すように、電子部品搭載基板３０は、壁部３２に囲まれたキャビティ３４内に電子部品が搭載されており、光素子４０は、キャビティ３４の底面における底上げされた段差面３６に搭載されている。すなわち、光素子４０が搭載された段差面３６は、ドライバ集積回路装置４１などの他の電子部品が搭載された底面３５から底上げされており、上部構造体５を電子部品搭載基板３０の壁部３２の上面３２ａに当接させて光接続したときに、上部構造体５の光ファイバ７の端面７ａと光素子４０との垂直方向の距離が、電子部品搭載基板３０の壁部３２の上面３２ａと段差面３６により規定されるようになっている。

さらに、電子部品搭載基板３０に壁部３２を設けることで、段差面３６よりも低い底面３５に搭載されたドライバ集積回路装置４１などの他の電子部品が、壁部３２から上方に突出せずにキャビティ３４内に収納されており、これにより上部構造体５を電子部品搭載基板３０の壁部３２の上面３２ａに当接させて光接続できるようになっている。

段差面３６の底面３５からの高さは、光接続の結合効率等を考慮して適宜の高さとすることができ特に制限はないが、たとえば条件に応じて数μｍ〜数百μｍとすることができる。段差面３６は、樹脂製基板３１の成形時に形成されるようにする。

以上の樹脂製基板３１は、たとえば、金型樹脂成形にて製造することができる。樹脂成形の際に金属体をインサート成形することによって内部配線が形成される。樹脂製基板３１表面の電気配線３３や裏面電極は、圧着、蒸着、めっき等の手段で薄膜を形成することで実現される。

光モジュール１を図１のように光接続および電気接続が切り離された状態から図２のように光接続および電気接続をした状態に組み立てる際には、まず、図１の配線基板７０上に固定された嵌合部材５０の開口部５１内に異方導電性シート６０を配置する。次いでその上に電子部品搭載基板３０を配置し、さらにその上から上部構造体５を嵌合部材５０に垂直に嵌め込む。

このとき、電子部品搭載基板３０の位置決めピン４２が上部構造体５の位置決め穴１１に挿入されて、電子部品搭載基板３０に対して上部構造体５が水平方向に所定の精度、たとえば３〜５μｍの精度で位置決めされると共に、保持部材６の側面が嵌合部材５０の側板部５３に規制されて、電子部品搭載基板３０が配線基板７０に対して間接的に水平方向に位置決めされる。配線基板７０上には、ピッチ５００μｍ、直径３００〜３５０μｍのはんだバンプが形成されており、これらのはんだバンプに対して、電子部品搭載基板３０の下面に設けられたピッチ５００μｍ、直径３００〜３５０μｍの裏面電極が位置合わせされる。

そして、嵌合部材５０の弾性により上部構造体５は下方に押圧され、これにより異方導電性シート６０が加圧されて導通状態となる。これにより、異方導電性シート６０を介して電子部品搭載基板３０の裏面電極と配線基板７０上のはんだバンプとが電気的に接続される。

また、電子部品搭載基板３０の位置決めピン４２が上部構造体５の位置決め穴１１に挿入されることにより、図６の断面図に示すように光ファイバ７の端面７ａと、光素子４０との水平方向の位置決めがされると共に、保持部材６の下面６ａと光素子搭載基板３０の壁部３２の上面３２ａとが当接することにより、光ファイバ７の端面７ａと、光素子４０との垂直方向の位置決めがされて、これらが光学的に接続される。

以上のようにして、光モジュール１は図２に示す状態で垂直方向へ電気的および光学的に接続され、光ファイバ７を通じて外部との間で伝送される光信号の送受信が可能な状態とされる。

そして、たとえば保守交換時などにおいては、上部構造体５を嵌合部材５０から垂直に抜き出すことで光接続を容易に切り離すことができ、次いで光素子搭載基板３０を異方導電性シート６０上から垂直に取り出すことで電気接続を容易に切り離すことができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変更が可能である。たとえば、上記実施形態では、位置決め部９０として、樹脂製基板３１上の光素子４０の両側の位置に一対の位置決めピン４２を設け、上部構造体５にはこれらの位置決めピン４２に対応する位置決め穴１１を設けているが、位置決めピンの数、位置、形状等は特に限定されるものではない。たとえば、樹脂製基板３１上の光素子４０の両側の位置に一対の位置決め穴を設け、これに対応する一対の位置決めピンを上部構造体５に設けるようにしてもよいし、樹脂製基板３１に断面Ｖ字状溝を設け、これに対応する断面Ｖ字状突起を上部構造体５に設けるようにしてもよいし、あるいはこれらの組み合わせてもよい。断面Ｖ字状溝とこれに対応する断面Ｖ字状突起を位置決め部９０として採用した場合、上部構造体５と電子部品搭載基板３０とが水平方向と垂直方向に精度よく位置決めされ、これによって上部構造体５の光伝送体の端面と電子部品搭載基板３０の光素子４０とを効果的に光学的に接続させることができる。このような樹脂基板３１に形成される位置決め部９０としての位置決めピンや断面Ｖ字状突起は樹脂製であり、樹脂製基板３１の成形時に一体に成形される。また、樹脂基板３１に形成される位置決め部９０が位置決め穴や断面Ｖ字状溝である場合についても、樹脂基板３１成形時に形成されるようにする。

また、上記の実施形態では、図７（ａ）のように、電子部品搭載基板３０のキャビティ３４内における他の電子部品８０が搭載された隣接面８１に対して底上げされた段差面３６に光素子４０を搭載したが、光素子４０および他の電子部品８０の相対的な厚さに応じて、図７（ｂ）のように、電子部品搭載基板３０のキャビティ３４内における他の電子部品８０が搭載された隣接面８１に対して底下げされた段差面３６に光素子４０を搭載するようにしてもよい。このように、光素子４０および他の電子部品８０の相対的な厚さに応じた段差面３６を形成することで、他の電子部品８０の厚さに制限されることなく、上部構造体５の光ファイバ７の端面７ａと電子部品搭載基板３０の光素子４０との光接続のための光学的な条件に応じて、光素子４０が搭載される段差面３６のキャビティ３４の深さを適切に設定することができる。

上記の実施形態では、電子部品搭載基板３０と配線基板７０とを異方導電性シート６０を介して電気接続する例を示したが、その他、電子部品搭載基板３０と配線基板７０とを電気コネクタを介して電気接続する構造、電子部品搭載基板３０の裏面電極を配線基板７０にはんだ接続した構造など、電子部品搭載基板３０と配線基板７０との電気接続は各種の構造とすることができる。

上記の実施形態では、嵌合部材５０を用いて上部構造体５を垂直方向へ着脱自在に装着し、電子部品搭載基板３０の光素子４０に対して上部構造体５の光伝送路を光学的に接続するようにしたが、このような機能を有する装着構造として、他の機構によるものを用いるようにしてもよい。たとえば、配線基板７０に嵌合穴を設けると共に、上部構造体５にラッチ構造を設けて、上部構造体５のラッチ構造を配線基板７０の嵌合穴に嵌合させて装着するようにしてもよい。

光素子４０として、レーザダイオードなどのＶＣＳＥＬ以外の面発光素子を用いてもよく、ＰＩＮフォトダイオード以外の面受光素子を用いるようにしてもよい。

図１は、本発明の一実施形態における光モジュールを示す斜視図であり、光接続および電気接続を切り離した状態を示す。 図２は、図１の光モジュールにおける光接続および電気接続をした状態を示す斜視図である。 図３は、上部構造体の上側部材、光ファイバ、および下側部材の配置状態を示した図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 図４は、電子部品搭載基板の斜視図である。 図５は、電子部品搭載基板の断面図である。 図６は、上部構造体と電子部品搭載基板とが光接続された状態を示す断面図である。 図７は、本発明の他の実施形態における光モジュールの電子部品搭載基板の部分断面図である。

符号の説明

１ 光モジュール
５ 上部構造体
６ 保持部材
６ａ 下面
７ 光ファイバ
７ａ 端面
８ テープファイバ
１０ 上側部材
１１ 位置決め穴
１２ 肩部
２０ 下側部材
３０ 電子部品搭載基板
３１ 樹脂製基板
３２ 壁部
３２ａ 上面
３３ 電気配線
３４ キャビティ
３５ 底面
３６ 段差面
４０ 光素子
４１ ドライバ集積回路装置
４２ 位置決めピン
５０ 嵌合部材
５１ 開口部
５２ 突条部
５３ 側板部
５４ 突起部
６０ 異方導電性シート
６５ａ 外部側光軸
６５ｂ 光素子側光軸
７０ 配線基板
８０ 他の電子部品
８１ 隣接面
９０ 位置決め部

Claims (3)

1. 光信号を伝送する光伝送路と、光信号を電気信号に変換し、または電気信号を光信号に変換する光素子とを光学的に接続する光モジュールであって、光伝送路を形成する光伝送体および当該光伝送体を保持する保持部材を備えた上部構造体と、配線基板上に配置され、光素子を含む電子部品が樹脂製基板に搭載された電子部品搭載基板と、配線基板上の電子部品搭載基板の上面に上部構造体を垂直方向に押圧して固定することにより、電子部品搭載基板の光素子に対して上部構造体の光伝送路を光学的に接続する装着体とを備えていることを特徴とする光モジュール。
2. 上部構造体の光伝送体と電子部品搭載基板の光素子とが位置決めされて光学的に接続される位置決め部が、電子部品搭載基板の樹脂製基板と一体に成形されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 電子部品搭載基板の樹脂製基板には、電子部品が搭載され、周縁に立設された壁部で囲まれるキャビティが形成されており、上部構造体を電子部品搭載基板上に配置したときに、上部構造体が電子部品搭載基板の樹脂製基板の壁部上面が当接することにより、上部構造体の光伝送体と電子部品搭載基板の光素子とが垂直方向に位置決めされて光学的に接続されることを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。

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