JP2010113208A - 光電気変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】小型かつ簡易な構造で放熱性にも優れる光電気変換モジュールを提供する。
【解決手段】Ｓｉ基板９に光伝送路２を実装するための実装部が形成されると共に、Ｓｉ基板９上に光伝送路２のコアと光結合する光素子１１、および光素子１１を駆動制御する制御用ＩＣ１８が配設され、Ｓｉ基板９の一端に設けられ外部電気機器５のレセプタクル６に挿入接続され外部電気機器５と電気的に接続されると共にＳｉ基板９を介して光素子１１および電線３と電気的に接続される電気コネクタ７と、外部電気機器５側の電気コネクタ７の挿入接続部が露出するようにＳｉ基板９と電気コネクタ７と光電気複合線４の一部を覆うケース２３とを備えたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、光伝送路と電線を内蔵した光電気複合線を外部電気機器のレセプタクルに接続するための光電気変換モジュールに関するものである。

インターネットやマルチメディアの急速な普及に伴う情報量の増大に対応するため、処理装置のデバイス間の信号伝送に光信号を用いる光インタコネクション技術の開発が進められている。

従来の光電気変換モジュールとしては、例えば、コネクタ端部に光素子を横一列に並べ、これら光素子に光ファイバを接続すると共に、各光素子からの電気信号を出力するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

ところで、光インタコネクションを用いた場合でも、光によって信号を伝送するだけではなく、低速信号や電源供給、接地など電気的な接続も残されており、電気配線と光ファイバを複合した光電気複合線が用いられている。

このような光電気複合線を外部電気機器に接続する際には、従来、図５に示すように、表面に電気配線が形成されたガラスエポキシ基板３２を用意し、このガラスエポキシ基板３２上に実装された光素子３３と対向するように光電気複合線３８の光ファイバ３４を配置すると共に、電気配線の入力端子Ｐｉに光電気複合線３８の電線３５を電気的に接続する。そして、このガラスエポキシ基板３２の出力端子Ｐｏに、ケーブル３６を介してコネクタ３７を電気的に接続する。

光ファイバ３４からの光信号は、光素子３３または光素子３３と光素子制御用ＩＣ（図示せず）とで電気信号に変換され、出力端子Ｐｏに接続されたケーブル３６を通ってコネクタ３７に出力される。同様に、入力端子Ｐｉに入力された電線３５からの電気信号は、出力端子Ｐｏに電気的に接続されたケーブル３６を通ってコネクタ３７に出力される。

光電気変換モジュール３１では、このコネクタ３７を外部電気機器に接続することにより、光電気複合線３８を外部電気機器に接続している。図５では、図の簡略化のために光ファイバ３４が１本、電線３５が１本である場合を説明したが、光ファイバ３４および電線３５が複数本の場合も同様である。

特開２００３−１４９５１２号公報 特開２００６−２４５０２５号公報

ところで、光電気変換モジュール３１では、ガラスエポキシ基板３２とコネクタ３７を一体化し、かつ光ファイバ３４や光素子３３を保護するため、コネクタ３７の後端部から光電気複合線３８の先端部までを覆うように樹脂をモールドして保護カバーを設ける。

しかしながら、従来の光電気変換モジュール３１では、ガラスエポキシ基板３２上に実装される光素子３３はＣＡＮパッケージ光素子チップを封止したモジュールタイプであり、小型化が困難であった。また、信号の高速化に伴い、光素子３３、電子部品（制御用ＩＣなど）での発熱も問題となっているが、ガラスエポキシ基板３２は放熱特性も良くない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小型かつ簡易な構造で放熱性にも優れる光電気変換モジュールを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、光伝送路と電線を内蔵した光電気複合線を、外部電気機器のレセプタクルに接続するための光電気変換モジュールであって、Ｓｉ基板に前記光伝送路を実装するための実装部が形成されると共に、前記Ｓｉ基板上に前記光伝送路のコアと光結合する光素子、および該光素子を駆動制御する制御用ＩＣが配設され、前記Ｓｉ基板の一端に設けられ前記外部電気機器の前記レセプタクルに挿入接続され前記外部電気機器と電気的に接続されると共に前記Ｓｉ基板を介して前記光素子および前記電線と電気的に接続される電気コネクタと、前記外部電気機器側の前記電気コネクタの挿入接続部が露出するように前記Ｓｉ基板と前記電気コネクタと前記光電気複合線の一部を覆うケースとを備えた光電気変換モジュールである。

前記電気コネクタは上下一対の金属端子を備え、前記Ｓｉ基板の前記電気コネクタ側の端部には、前記Ｓｉ基板に形成された電極と前記電気コネクタの金属端子とを電気的に接続すると共に前記Ｓｉ基板を前記電気コネクタの金属端子間に保持するためのアダプタが設けられていてもよい。

前記電気コネクタは上下一対の金属端子を備え、前記Ｓｉ基板は、前記電気コネクタの上下金属端子の間隔と同等の厚さに形成されると共に、前記Ｓｉ基板の前記電気コネクタ側の端部には前記電気コネクタの金属端子と電気的に接続するための電極が形成されていてもよい。

前記ケース内に樹脂やシリコンからなる充填材が充填されていてもよい。

前記光素子が面発光素子または面受光素子であり、該面発光素子または面受光素子の光軸を９０度変換して前記面発光素子または前記面受光素子と前記光伝送路のコアとを光結合する反射部材が配設されていてもよい。

前記Ｓｉ基板の一方の面に前記光伝送路が配設され、前記Ｓｉ基板の他方の面に前記電線が電気的に接続されていてもよい。

本発明によれば、レーザや受光素子などの光素子と、電圧変換用ＩＣなどの電子部品とを同一のＳｉ基板に配設できるため、構成が容易となり、小型化、低コスト化が実現でき、さらに、Ｓｉ基板を用いることにより、放熱性にも優れた光電気変換モジュールが実現できる。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、第１の実施形態に係る光電気変換モジュールの長手方向の断面図である。

図１に示すように、光電気変換モジュール１は、光伝送路としての光ファイバ２と電線３とを内蔵した光電気複合線４を、外部電気機器５に接続するためのものである。第１の実施形態では、光伝送路として光ファイバ２を用いる場合を説明するが、光伝送路は、例えば、フレキシブル光導波路であってもよい。フレキシブル光導波路は四角形状のコアをクラッドで覆い平板状に形成したものであり、ポリマなど可とう性を有する材料を用いて製造される。

また、この光電気変換モジュール１は、外部電気機器５からの電気信号を光信号に変換して光電気複合線４の光ファイバ２に出力する、あるいは光ファイバ２からの光信号を電気信号に変換して外部電気機器５に出力するものである。

光電気変換モジュール１は、外部電気機器５のレセプタクル６と嵌合する電気コネクタ７と、その電気コネクタ７の上下の金属端子８に電気的に接続されるＳｉ基板（シリコン基板）９と、このＳｉ基板９の表面Ｓに配設される光素子１１、および光素子１１を駆動制御する制御用ＩＣ１８などから構成されている。

光素子１１はチップ素子であり、Ｓｉ基板９の表面Ｓに実装される。光素子１１としてチップ素子を用いることにより、従来のモジュールタイプの光素子を用いる光電気変換モジュールと比較して小型化が可能となる。Ｓｉ基板９の表面Ｓには光ファイバ２を位置決めして固定するＶ溝からなる実装部（図示せず）が形成されている。

光電気複合線４の電線３は、光ファイバ２が配設されるＳｉ基板９の表面Ｓとは反対側のＳｉ基板９の裏面Ｒに電気的に接続される。さらに、Ｓｉ基板９の裏面Ｒには電圧変換用ＩＣ２２などが実装されている。この電圧変換用ＩＣ２２は、外部電気機器５側から供給される電圧を光素子１１が動作する電圧に変換するものである。

電気コネクタ７は、レセプタクル６に挿入されるコネクタカバー１５と、そのコネクタカバー１５の後端面（図示右側）より突出する上下一対の金属端子８とからなる。電気コネクタ７の先端面には、レセプタクル６に設けられた凸部１６を挿入接続するための凹部（挿入接続部）１７が形成される。金属端子８は、その先端がコネクタカバー１５の先端と略一致するように、凹部１７内に延出される。

Ｓｉ基板９の電気コネクタ７側の端部には、電気コネクタ７の金属端子８と電気的に接続するための電極（図示せず）が形成されると共に、Ｓｉ基板９を電気コネクタ７の金属端子８間に保持するためのアダプタ１００が設けられている。

アダプタ１００は、Ｓｉ基板９を挟む構造としてもよいし、Ｓｉ基板９の表面Ｓ側と裏面Ｒ側で別体となっていてもよい。第１の実施形態では、アダプタ１００がＳｉ基板９の表面Ｓ側と裏面Ｒ側で別体となっている場合を説明する。

アダプタ１００の一方の面（Ｓｉ基板９側の面）には、Ｓｉ基板９に形成された電極と電気的に接続するための電極が形成され、他方の面（金属端子８側の面）には、金属端子８と電気的に接続するための電極（図示せず）が形成されている。アダプタ１００の両電極はスルーホールを介して電気的に接続される。これにより、Ｓｉ基板９の電極と電気コネクタ７の金属端子８とがアダプタ１００を介して電気的に接続される。アダプタ１００としては、熱伝導性の高い材料を用いることが望ましい。

Ｓｉ基板９の表裏面Ｓ，Ｒには、電気配線１３が形成され、この電気配線１３を介して電気コネクタ７の金属端子８や電線３、制御用ＩＣ１８、電圧変換用ＩＣ２２などと電気伝送を行う。

光電気変換モジュール１では、外部電気機器５側の電気コネクタ７の挿入接続部が露出するようにＳｉ基板９と電気コネクタ７の後端部と光電気複合線４の先端部を覆うケース２３が設けられる。ケース２３としては、例えば、銅合金などの熱伝導性の高い材料を用いるとよい。

ケース２３内には、ポリプロピレン、アクリル、エポキシなどの樹脂やシリコンなどの充填材１０が充填される。充填材１０としては、熱伝導性の高い材料を用いることが望ましく、光素子１１と光ファイバ２の光結合部に充填する充填材１０としては、光学的に透明な樹脂を用いる。

充填材１０を充填する際には、ケース２３の一部に孔を形成しておき、その孔より充填材１０を充填した後、熱硬化などにより充填材１０を固定するとよい。

ここで、図３、４に基づき、光素子１１と光ファイバ２の結合構造を説明する。

図３は、光素子１１と光ファイバ２の結合構造の一例を示す断面構造図である。

図３では、一例として、光素子１１として端面発光タイプのレーザ１１ａを用いた場合を示す。端面発光タイプのレーザ１１ａは、光ファイバ２の光軸と同一方向に光信号を出射することができるため、レーザ１１ａと光ファイバ２の光軸の高さを一致させるようにすればよい。

レーザ１１ａと光ファイバ２の光軸の高さを一致させる際には、例えば、Ｓｉ基板９の一部にエッチングなどにより段差ｄを形成し、光軸が高い方の部材（図３では光ファイバ２）の実装位置を低くすることで、レーザ１１ａと光ファイバ２の光軸の高さを一致させるとよい。レーザ１１ａと光ファイバ２の光軸の高さを一致させる構造はこれに限定されず、レーザ１１ａと光ファイバ２の光軸の高さの相違分と等しい高さのスペーサを用意し、このスペーサを光軸の低い方の部材（図３ではレーザ１１ａ）の下に配設することで、レーザ１１ａと光ファイバ２の光軸を一致させてもよい。

図４には、光素子１１として面発光タイプのレーザ１１ｂを用いた場合の光素子１１と光ファイバ２の結合構造の一例を示す。

面発光タイプのレーザ１１ｂは、光信号の出射方向が実装面（図４では、Ｓｉ基板９の表面Ｓ）に対して垂直方向となるため、光ファイバ２をＳｉ基板９の表面Ｓに沿って配設した場合には光ファイバ２の光軸とレーザ１１ｂの光軸は直交してしまう。そこで、レーザ１１ｂの光軸を９０度変換して光ファイバ２の光軸と一致させる反射部材４００を発光レーザ１１ｂの近傍に配設する。

図４では、反射部材４００で反射した光信号の光軸と光ファイバ２の光軸の高さを一致させるために、Ｓｉ基板９の一部にエッチングなどにより段差を形成し、光素子１１および反射部材４００の実装位置を低くしているが、両光軸の高さの相違分と等しい高さのスペーサを用意し、このスペーサを光軸の低い方の部材（図３では光ファイバ２）の下に配設して、反射部材４００で反射した光信号の光軸と光ファイバ２の光軸の高さを一致させてもよい。

反射部材４００はレーザ１１ｂの光軸に対し４５度傾斜した傾斜面４０１を有し、ガラス材などの光学部材からなる。レーザ１１ｂと光ファイバ２とで形成される光結合部に樹脂などの充填材１０を充填するに際して、充填材１０の屈折率が反射部材４００の屈折率と同等であると、レーザ１１ｂからの光信号を傾斜面４０１で反射することができなくなる。そこで、充填材１０の屈折率と反射部材４００の屈折率とが同等である場合には、反射部材４００の傾斜面４０１には金属膜などを蒸着などにより形成し、その金属膜でレーザ１１ｂからの光信号を反射するようにするとよい。これにより、レーザ１１ｂからの光信号をほぼ１００％光ファイバ２側に反射することが可能となる。

第１の実施形態の作用を説明する。

第１の実施形態に係る光電気変換モジュール１では、Ｓｉ基板９の表面Ｓに光ファイバ２、光素子１１、および制御用ＩＣ１８を実装すると共に、Ｓｉ基板９の裏面Ｒに電線３を接続し、電気コネクタ７の金属端子８と光素子１１および電線３とをＳｉ基板９を介して電気的に接続し、Ｓｉ基板９と電気コネクタ７と光電気複合線４の一部を覆うようにケース２３を設けている。

これにより、光素子１１と、制御用ＩＣ１８、電圧変換用ＩＣ２２などの電子部品とを同一のＳｉ基板９に配設できるため、構成が容易となり、小型化、低コスト化が実現できる。また、光ファイバ２をＳｉ基板９の表面Ｓ側に実装し、電線３をＳｉ基板９の裏面Ｒ側に接続することで、さらに小型化することが可能となる。

また、基板として放熱性の高いＳｉ基板９を用いることで、光素子１１や制御用ＩＣ１８、電圧変換用ＩＣ２２などの電子部品で発生する熱を、Ｓｉ基板９、アダプタ１００（あるいはアダプタ１００のスルーホール）、金属端子８を介して外部に放出することができ、放熱性に優れた光電気変換モジュール１を実現することができる。そのため、熱による光素子１１や電子部品の特性劣化を防止できる。

また、第１の実施形態では、ケース２３内に充填材１０を充填し、これを熱硬化などで固定しているため、Ｓｉ基板９がケース２３内で固定され、耐振動特性が向上し機械的強度を高めることができる。さらに、埃、水分の侵入も防止できるため、特に光素子１１の信頼性を向上できる。

また、充填材１０として熱伝導性の高い材料を用いることで、光素子１１や制御用ＩＣ１８、電圧変換用ＩＣ２２などの電子部品で発生する熱を、充填材１０、ケース２３を介して外部に放出することができ、より放熱性を高めることができる。

次に、第２の実施形態を説明する。

図２に示す光電気変換モジュール２００は、基本的に図１の光電気変換モジュール１と同じ構成であり、Ｓｉ基板９の厚さを金属端子８の間隔と同等とし、Ｓｉ基板９と金属端子８とを直接電気的に接続したものである。

光電気変換モジュール２００では、Ｓｉ基板９の金属端子８側の表面Ｓおよび裏面Ｒに電極をそれぞれ形成し、各電極と金属端子８とをはんだ付けすることにより、Ｓｉ基板９と金属端子８とを直接電気的に接続している。

光電気変換モジュール２００では、図１の光電気変換モジュール１と比較してアダプタ１００が不要となるので、構造をさらに簡素化することができる。さらに、Ｓｉ基板９が厚くなるため、放熱特性をさらに向上させることができる。

上記実施形態では、光素子１１として発光素子（レーザ）を用いた場合を説明したが、光素子１１として受光素子を用いた場合も同様である。このように、本発明はこれらの実施例には限定されず、当業者にとって想到し得る本明細書に説明された基本的教示の範囲に適正に含まれる全ての変更、および代替的構成を具体化するものとして解釈されるべきである。

本発明の一実施形態に係る光電気変換モジュールの断面構造図である。 本発明の一実施形態に係る光電気変換モジュールの断面構造図である。 本発明の光電気変換モジュールにおいて、光素子として端面発光素子を用いた場合の光素子と光ファイバの結合構造を示す断面構造図である。 本発明の光電気変換モジュールにおいて、光素子として面発光素子を用いた場合の光素子と光ファイバの結合構造を示す断面構造図である。 従来の光電気変換モジュールの平面構造図である。

符号の説明

１ 光電気変換モジュール
２ 光ファイバ（光伝送路）
３ 電線
４ 光電気複合線
５ 外部電気機器
６ レセプタクル
７ 電気コネクタ
８ 金属端子
９ Ｓｉ基板
１１ 光素子
１８ 制御用ＩＣ
２３ ケース

Claims (6)

1. 光伝送路と電線を内蔵した光電気複合線を、外部電気機器のレセプタクルに接続するための光電気変換モジュールであって、
   Ｓｉ基板に前記光伝送路を実装するための実装部が形成されると共に、前記Ｓｉ基板上に前記光伝送路のコアと光結合する光素子、および該光素子を駆動制御する制御用ＩＣが配設され、前記Ｓｉ基板の一端に設けられ前記外部電気機器の前記レセプタクルに挿入接続され前記外部電気機器と電気的に接続されると共に前記Ｓｉ基板を介して前記光素子および前記電線と電気的に接続される電気コネクタと、前記外部電気機器側の前記電気コネクタの挿入接続部が露出するように前記Ｓｉ基板と前記電気コネクタと前記光電気複合線の一部を覆うケースとを備えたことを特徴とする光電気変換モジュール。
2. 前記電気コネクタは上下一対の金属端子を備え、前記Ｓｉ基板の前記電気コネクタ側の端部には、前記Ｓｉ基板に形成された電極と前記電気コネクタの金属端子とを電気的に接続すると共に前記Ｓｉ基板を前記電気コネクタの金属端子間に保持するためのアダプタが設けられている請求項１記載の光電気変換モジュール。
3. 前記電気コネクタは上下一対の金属端子を備え、前記Ｓｉ基板は、前記電気コネクタの上下金属端子の間隔と同等の厚さに形成されると共に、前記Ｓｉ基板の前記電気コネクタ側の端部には前記電気コネクタの金属端子と電気的に接続するための電極が形成されている請求項１記載の光電気変換モジュール。
4. 前記ケース内に樹脂やシリコンからなる充填材が充填されている請求項１〜３いずれかに記載の光電気変換モジュール。
5. 前記光素子が面発光素子または面受光素子であり、該面発光素子または面受光素子の光軸を９０度変換して前記面発光素子または前記面受光素子と前記光伝送路のコアとを光結合する反射部材が配設されている請求項１〜４いずれかに記載の光電気変換モジュール。
6. 前記Ｓｉ基板の一方の面に前記光伝送路が配設され、前記Ｓｉ基板の他方の面に前記電線が電気的に接続されている請求項１〜５いずれかに記載の光電気変換モジュール。

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