JP2010237636A

JP2010237636A - 光リンク装置及びその製造方法

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Publication number: JP2010237636A
Application number: JP2009183591A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Biwa; 武志枇杷; Yuichi Tagami; 雄一田上
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2009-08-06
Publication date: 2010-10-21
Also published as: US20100232751A1

Abstract

【課題】光軸合わせ精度が高く、量産性が高められた光リンク装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】主面の外縁に切り欠き部を有するリードフレームと、前記切り欠き部がその周囲に露出するように前記リードフレームの前記主面に接着された基板と、前記主面に対して略垂直な光軸を有し、前記切り欠きを位置決め基準として前記基板の上に接着された光素子と、前記基板と前記光素子とを覆うように前記リードフレームに接触し、前記光軸と略一致する中心軸を有する筒状のフェルールガイド部と、前記切り欠き部にはめこまれたガイドピンと、を有するレセプタクル筐体と、を備えたことを特徴とする光リンク装置及びその製造方法が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光リンク装置及びその製造方法に関する。

光ファイバを用いて光ディジタル信号を送受信すると、電磁波を発生することなく且つ電磁ノイズの影響が低減されて高品質な信号伝送が可能となる。このために、光送信器及び光受信器を備えた光リンク装置は、通信システムや産業機器制御システムに広く用いられている。また、情報量の増大とともに光ディジタル信号の高速化が要求されるようになってきた。

光リンク装置において、光送信器においては発光素子と光ファイバとの間、光受信器においては受光素子と光ファイバとの間、においてそれぞれ光軸合わせを行う必要がある。

もし光軸ずれがあると、信号の波形劣化や伝送光出力の低下を生じる。特に波形劣化により符号誤り率が高くなり、高速信号伝送が困難となる。このために、例えば１Ｇｂｐｓなどの高速信号伝送の場合、光軸合わせ精度を高めることが要求される。

作業性の向上及び光送受信効率の向上を図った光リンク装置に関する技術開示例がある（特許文献１）。この例では、所定の回路パターンが形成された半導体ウェーハに発光素子及び受光素子が搭載された光学ブロックを用いて、調芯工程を行っている。しかしながら、このような光学ブロックの形成及びこれを用いた光リンク装置の組立工程の量産性を高めることは容易ではない。

特開２００３−２２７９７２号公報

光軸合わせ精度が高く、量産性が高められた光リンク装置及びその製造方法を提供する。

本発明の一態様によれば、主面の外縁に切り欠き部を有するリードフレームと、前記切り欠き部がその周囲に露出するように前記リードフレームの前記主面に接着された基板と、前記主面に対して略垂直な光軸を有し、前記切り欠きを位置決め基準として前記基板の上に接着された光素子と、前記基板と前記光素子とを覆うように前記リードフレームに接触し、前記光軸と略一致する中心軸を有する筒状のフェルールガイド部と、前記切り欠き部にはめこまれたガイドピンと、を有するレセプタクル筐体と、を備えたことを特徴とする光リンク装置が提供される。

本発明の他の一態様によれば、リードフレームと、前記リードフレームの上に接着された基板と、前記基板の上に接着された光素子と、前記基板及び前記光素子を覆うように前記リードフレームに接触したレセプタクル筐体と、を有する光リンク装置の製造方法であって、前記リードフレームの主面の外縁に設けられた切り欠き部がその周囲に露出するように前記基板を前記リードフレームの前記主面の上に接着し、前記切り欠き部を位置決め基準として前記基板の上に前記光素子を接着し、前記レセプタクル筐体に設けられたガイドピン部を前記切り欠き部にはめ込むことにより、前記レセプタクル筐体に設けられた筒状のフェルールガイド部の中心軸と、前記光素子の光軸と、を略一致させるとともに、前記リードフレームと前記レセプタクル筐体とを固定可能とすることを特徴とする光リンク装置の製造方法が提供される。

光軸合わせ精度が高く、量産性が高められた光リンク装置及びその製造方法が提供される。

実施形態にかかる光リンク装置の模式図光送受信部の模式図比較例にかかる光送受信部の模式図レンズの模式図レセプタクル筐体の背面内部の模式斜視図レセプタクル筐体の背面の模式斜視図製造方法のフロー図変形例にかかる光リンク装置の模式断面図立ち下がり時間のコア入射角依存性を説明する図

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態にかかる光リンク装置の模式図である。すなわち、図１（ａ）は正面側からみた斜視図、図１（ｂ）はＡ−Ａ線に沿った断面図を表す。
本図は、電気信号の光送信部及び光受信部を備えた双方向光リンク装置を表している。また、光ファイバの端部に取り付けられたフェルール７０が図１（ｂ）の左側から光リンク装置に挿入され、光信号の送受信が可能である。すなわち、本図は、レセプタクル型光リンク装置と呼ぶことができる。

レセプタクル筐体３０は、光ファイバの端部のフェルール７０が挿入可能なように筒状のフェルールガイド部３０ａを有している。さらに、挿入されたフェルール７０と対向するように、集光レンズ５０がレセプタクル筐体３０に圧入により固定されてている。

レセプタクル筐体３０の背面側には、基板１０が接着されたリードフレーム４０が取り付けられており、電気信号及び電源電圧用のアウターリード４０ｃが突出している。レセプタクル筐体３０に設けられたガイドピン３０ｂと、リードフレーム４０に設けられた切り欠き部は、光送信部及び光受信部に用いる部品の接着位置決め基準及びリードフレームの固定位置決め基準とされている。基板１０が接着されたリードフレーム４０は、ガイドピン３０ｂにはめ込まれ、レセプタクル筐体３０に押し込むように設けられた裏蓋５２により光軸２０方向に確実に固定されている。すなわち、レセプタクル筐体３０は、基板１０と光素子（図２参照）とを覆うようにリードフレーム４０に接触して設けられている。

なお、本発明の光リンク装置は双方向に限定されない。発光素子を光素子とする送信用光リンク装置、または受光素子を光素子とする受信用光リンク装置であってもよい。また、光リンク装置を産業機器の制御や短距離通信に用いる場合、光ファイバとして、ＰＯＦ（Plastic Optical Fiber)やＰＣＦ（Plastic Clad Silica Fiber)などのマルチモードファイバを用いると価格低減が容易となる。

図２は、光送受信部の模式図である。すなわち、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は斜視図、図２（ｃ）はシェル接着状態において斜め上方からみた図である。
基板１０は、アルミナやＡｌＮなどのセラミック材料、及びガラスエポキシ基板などとすることができる。例えばアルミナを用いる場合、タングステン印刷材料による回路配線を施したアルミナの積層を焼結したものとできる。図２のように、この基板１０の外周部に沿って鉄・ニッケル・コバルト合金であるコバールなどからなるシールリング４２が銀ロウ材などを用いて接着されている。

他方、鉄・ニッケル合金などの材料からなり、プレス加工されたリードフレーム４０の主面上に、銀ロウ材などを用いて基板１０が多数個接着される。なお、基板１０がガラスエポキシなどの材料である場合、導電性接着剤などを用いて接着できる。

本実施形態では、リードフレーム４０には貫通孔状の切り欠き部４０ａが設けられておりその近傍は、図２（ａ）のように基板１０の外縁１０ｂから突出するように接着されている。リードカットののち、この貫通孔の切り欠き部４０ａは、図２（ｃ）に表したように、一端が開放した切り欠き部４０ｂとなる。すなわち、図２（ｃ）に表したように、リードカット後のリードフレーム４０の主面の外縁には、切り欠き４０ｂが設けられている。そして、これら切り欠き４０ｂは、基板１０の周囲に露出している。
プレス加工により形成されるリードフレーム４０の加工精度は、±０．０２ｍｍ程度とすることが容易である。このため、切り欠き部４０ｂを、部品実装（接着位置決め）に際して、実装位置の基準とすることができる。すなわち、切り欠き部４０ｂの形状を光学的に検出し、その位置を基準として、発光素子１２、送信ＩＣ１４、受光素子１６、受光ＩＣ１７、１８、及びキャパシタ１５などを銀ペーストなどの接着剤を用いて接着すると、接着位置精度を高めることが容易となる。例えば、光素子１２を基板１０に接着する際に、基板１０の周囲に露出した切り欠き部４０ｂの位置を光学的に検出し、その検出した位置に基づいて、光素子１２を接着すべき位置を決定する。こうすることにより、例えば、光素子１２と切り欠き部４０ｂと、は、一定の配置関係を有することとなる。

発光素子１２としてＩｎＧａＡｌＰ、ＡｌＧａＡｓ、及びＧａＡｓなどを用いると、可視光〜赤外光の波長範囲の放出光とすることができる。また、受光素子１６としては、ＳｉフォトダイオードやＳｉフォトトランジスタとすることができる。なお、受光素子１６を受光ＩＣと一体にして１チップとすることができる。

また、図２（ｃ）のように、光を透過可能な、例えばほう珪酸などからなるガラス窓３６ａを有し、鉄やニッケル・コバルトなどを含む合金からなるシェル３６と、シールリング４２と、を抵抗溶接法などを用いて接着すると光送受信部の内部を窒素などで充填し気密封止とできる。

さらに、固定位置決め基準とする切り欠き部４０ｂを、レセプタクル筐体３０ガイドピン３０ｂ（図１参照）にはめ込み押し込む。このようにすると、発光素子１２の中心を通りその表面に略垂直な光軸２０ａ及び受光素子１６の中心を通りその表面に略垂直な光軸２０ｂと、フェルールガイド部３０ａの中心軸と、を高精度で位置決め且つ固定できる。このため、フェルールガイド部３０ａに挿入される送信用ファイバの中心軸と発光素子１２の光軸２０ａ、及び受信用ファイバの中心軸と受光素子１６の光軸２０ｂとが高精度で位置合わせ可能となる。フェルールガイド部３０ａの内径は、例えば２．５０ｍｍなどとすることができる。なお、レセプタクル筐体３０の材料は、例えばカーボンフィラーが混合されたＰＢＴ（Polybutylene Terephthalate)樹脂のようなプラスチックとすることができる。

図３は、比較例にかかる光送受信部の模式図である。すなわち、図３（ａ）は斜視図、図３（ｂ）は斜め上方からみた図である。
比較例において、リードフレームは、基板１１０の裏面の導電層と電気的接続が可能なようにアウターリード１４０を有しているが、切り欠き部などの位置決め基準が設けられていない。

すなわち、レセプタクル筐体と発光素子及び受光素子の光軸との位置決めは、基板１１０の外縁１１０ｂを用いて行われる。基板１０がアルミナなどのセラミックである場合、外形寸法公差は、通常±０．１５ｍｍ以上と大きい。また、切断された基板の外形は、水平方向及び直角方向にそれぞれ角度にバラツキを生じやすい。このために、基板の外形基準では、発光素子の光軸と送信ファイバの中心軸、及び受光素子の光軸と受信ファイバの中心軸とを±０．１ｍｍよりも高い精度で合わせることが困難であり、光軸ずれを生じやすい。

光軸ずれを生じると、信号の立ち上がり及び立ち下がりに遅延を生じやすい。すなわち波形劣化やジッターなどを生じやすくなるので、ＢＥＲ（Bit Error Rate:符号誤り率）が高くなる。このために、例えば１Ｇｂｐｓのような高速伝送が困難となる。また光軸ずれは、素子と光ファイバとの光結合効率を低下させるので、発光素子をより高電流動作する必要があり高消費電力となる。また、高電流動作は寿命時間を短くするので好ましくない。もし、個々に光軸合わせ（調芯）が可能であればこれらの問題が改善されるが、生産性が低下する。

これに対して、本実施形態では、個々に光軸合わせを行うことなく、高精度で光軸を合わせることができ、波形劣化、ＢＥＲなど伝送特性の低下、及び光出力の低下などを抑制できる。このために、例えば１Ｇｂｐｓなどの高速伝送が容易となる。

図４は、集光レンズの模式図である。すなわち、図４（ａ）は第１の面、図４（ｂ）はＢ−Ｂ線に沿った断面図、図４（ｃ）は第２の面、図４（ｄ）は第１の面側からみた模式斜視図、図４（ｅ）は第２の面側からみた模式斜視図である。
集光レンズ５０の材料を、例えばゼオックスのような透明プラスチック材料とすると、凸レンズ５０ｃのような曲面を形成することが容易となる。また、レセプタクル筐体３０内にテーパ状の嵌合孔を設けると、集光レンズ５０との嵌合が容易にできる。この場合、嵌合孔のテーパ形状と嵌合可能な曲面５０ｄをレンズ５０の第１の面５０ａの外周部に形成するとよい。また、集光レンズ５０ではなく円板状のガラスとしても気密封止が可能である。

しかし、図４（ｂ）及び図４（ｅ）のように、第２の面５０ｂに凸レンズ５０ｃを形成すると発光素子１２からの放出光を効率よく集束し光ファイバのコアに入射することが可能となる。このために、発光素子１２の消費電力を低減できる。また、光ファイバからの放射光を効率よく受光素子１６に入射可能となる。このために、光ファイバからの光出力が低くても受信容易となる。

図５は、レセプタクル筐体の背面内部を表す模式斜視図である。すなわち、図５（ａ）は集光レンズの圧入前、図５（ｂ）は集光レンズの圧入後を表す。
集光レンズ５０の第１の面５０ａ側を、フェルールガイド部３０ａの開口端部に設けられた嵌合孔３０ｃに圧入嵌合することにより強制的に位置決めし、レセプタクル筐体３０及び集光レンズ５０の中心軸を高精度で一致させることができる。集光レンズ５０は、カシメなどによりレセプタクル筐体３０に固定することが好ましい。

図６は、レセプタクル筐体の背面側の模式斜視図である。すなわち、図６（ａ）は基板が接着されたリードフレームの取り付け後を表し、図６（ｂ）は裏蓋取り付け後を表す。
リードフレーム４０に設けられた４つの切り欠き部４０ｂを４つのガイドピン３０ｂにそれぞれはめ込むことにより、基板１０が接着されたリードフレーム４０は高精度でレセプタクル筐体３０の内部に位置決めされる。但し、図６（ａ）において、左側内壁に設けられたガイドピン及びこれにはめ込まれた切り欠き部は図示していない。さらに、基板１０が接着されたリードフレーム４０は、ＰＢＴ樹脂などのプラスチックからなる裏蓋５２で背面側から押しつけられてより確実に固定される。なお、本具体例においては、リードフレーム４０は、基板１０の裏面の全体を覆ってはおらず、図６（ａ）に表したように、切り欠き部４０ｂが設けられた部分と、アウターリード４０ｃと、の間に、基板１０の裏面が露出している。このように、リードフレーム４０と接着されていない基板１０の裏面領域に凹部１０ｃを設け、裏蓋５２に設けられた凸部と嵌合させてもよい。
また、本具体例においては、リードフレーム４０が基板１０の裏面の全体を覆ってはいないが、基板１０の裏面の全体をリードフレーム４０が覆うようにしてもよい。

図７は、本実施形態の光リンク装置における製造方法を表すフロー図である。
まず、フェルールガイド部３０ａ、ガイドピン３０ｂ、及び嵌合孔３０ｃを備えたレセプタクル筐体３０が形成される（Ｓ１００）。集光レンズ５０が嵌合孔３０ｃに圧入嵌合されカシメにより固定される（Ｓ１０２）。

他方、基板１０がリードフレーム４０に接着される（Ｓ１０４）。リードフレーム４０は基板１０から突出した領域を有しており、この突出領域には切り欠き部４０ｂが設けられている。この切り欠き部４０ｂは部品の接着位置決め基準とされ、発光素子１２、受光素子１６などの部品を高精度で接着可能である。この場合、切り欠き部４０ｂの形状及び位置を光学的に検出する方法や機械的に検出する方法などを用いることができる（Ｓ１０６）。そして、このようにして検出した切り欠き部４０ｂの位置に基づいて、発光素子１２や受光素子１６などを接着すべき位置を決定する。

さらに、切り欠き部４０ｂをレセプタクル筐体３０の背面側に設けられたガイドピン３０ｂにはめ込みかつ押し込むことにより位置決めしつつ、基板１０をレセプタクル筐体３０に固定する（Ｓ１０８）。この場合、ガイドピン３０ｂを２つ以上とすると、基板１０を安定して固定可能である。本実施形態では、ガイドピン３０ｂの数を４つとし、かつ切り欠き部４０ｂを４つとすることにより支持点を増やしより確実に固定可能としている。

本製造方法によれば、加工精度が±０．０２ｍｍであるリードフレーム４０に設けられた切り欠き部４０ｂを接着位置決め基準として、光素子の光軸２０ａ、２０ｂを高精度で位置決め可能である。さらに切り欠き部４０ｂを固定位置決め基準として、光素子の光軸２０ａ、２０ｂと、レセプタクル筐体３０に設けられ、筒状の２つのフェルールガイド部３０ａの中心軸と、をそれぞれ略一致させることができる。なお、光ファイバのフェルール７０をフェルールガイド部３０ａに挿入することにより、フェルールガイド部３０ａの中心軸と光ファイバのコアの中心軸とを略一致させることが容易である。すなわち、レセプタクル筐体３０に設けられたガイドピンなどの位置決め構造を用いることにより、フェルールガイド部３０ａ、集光レンズ５０、発光素子１２や受光素子１６の光軸、を合わせ込むことが可能となる。

すなわち、光送信部及び個々の光受信部に対して個々に光軸合わせを行うことなく無調整とすることが容易であり、光リンク装置の製造方法の量産性を高めることができる。

図８（ａ）は、本実施形態の変形例にかかる模式断面図、図８（ｂ）は光ファイバコアへの入射光を説明する模式断面図である。
本変形例の光送信部は、発光素子１２からの放出光が光入射角θｉの所定範囲内で光ファイバのコア７２に入射可能なように、集光レンズ５０により集光される。光ファイバ７４は、コア７２と、その周囲を取り囲むように設けられ光をコア７２に閉じ込め可能なようにコア７２よりも低い屈折率であるクラッド７３と、を有する。光ファイバ７４のコア径は、例えば２００〜１０００μｍの範囲内とされ、光はマルチモード伝送される。本変形例では、発光素子１２の光軸２０と、光ファイバ７４のコア７２の中心軸と、のずれを±１００μｍ以下とすることが容易である。このため、光の入射角θiの最大値を適正に選択することにより光ファイバ７４内におけるモード分散を低減し、光パルス信号の立ち上がり時間、及び立ち下がり時間の増大を抑制できる。

図９（ａ）は光パルス信号立ち下がり時間のコアへの入射角θｉの最大値に対する依存性を表すグラフ図、図９（ｂ）は入射角θｉを説明する模式図、図９（ｃ）はモード分散を説明する図、である。
図９（ａ）及び図９（ｂ）において、発光素子１２はＶＣＳＥＬとする。また、ＶＣＳＥＬからの放出光はガウスビーム分布であるものとし、その強度が光軸２０上における強度の１／ｅ^２以上となる幅をビーム径とする。ビーム径の広がり角θｖｃは全幅で、例えば３０度などである。

図９（ａ）において、縦軸は光パルス信号の立ち下がり時間（ｐｓ）、横軸は最大光入射角（度）、である。最大光入射角は、図９（ｂ）において、放出光が光ファイバ７４の一方の端部のコア７２の端面へ入射する角度の最大値を表す。光パルス信号の立ち下がり時間は、最大光入射角が１１．５度以下において略６００ｐｓと短いが、最大光入射角が１１．５度よりも大きくなると急激に増大する。なお、一般に立ち上がり波形のなまりは、立ち下がり波形のなまりよりも少ない。

図９（ｃ）において、コア端面への入射角θｉが略ゼロの入射光をＧ１０、入射角θｉが１１．５度の入射光をＧ１１、及び入射角θｉが１１．５度よりも大きい入射光をＧ１２でそれぞれ表す。入射角θｉが大きくなると、光路が長くなるので軸方向の伝搬速度が低くなり、かつ高次モードを生じる。すなわち、モード分散を生じやすくなる。このためにコア７２の出射端部では、Ｇ１２、Ｇ１１、Ｇ１０の順に到達時間が遅くなる。すなわち、大きな入射角θｉ成分を含む光パルス信号ほど波形なまりが大きくなり、立ち下がり時間及び立ち上がり時間が増大する。なお、発光素子１２がＶＣＳＥＬでなく面発光ダイオードであっても最大光入射角が１１．５度よりも大きくなると立ち下がり時間は急激に増大する。本変形例において、集光レンズ５０を用いてコア７２への最大入射角を１１．５度以下と絞ることにより、モード分散を抑制しつつ、コア７２へ入射する光量を高めることが容易となる。

なお、コア７２の屈折率分布は、ＳＩ（Step Index）型及びＧＩ（Graded Index）型のいずれであってもよい。例えば、コア径が２００μｍ以下のＧＩ型光ファイバを用いると、１．２５Ｇｂｐｓの高速光パルス信号が、１×１０^−１２以下のＢＥＲを保ちつつ１００ｍ以上の距離を伝送可能となる（但し、ＮＲＺ、かつＰＲＢＳ：２^７−１）。

量産性が高い本実施形態の光リンク装置は、工作機械を含む産業機器の制御や短距離通信などに広く用いることができる。この場合、さらに１Ｇｂｐｓのような高速信号を伝送しても良好なＢＥＲとすることができ、高性能な制御システムや通信システムとすることができる。

以上、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの実施形態に限定されない。本発明を構成するリードフレーム、基板、発光素子、受光素子、レセプタクル筐体、及び集光レンズに関して、当業者が各種設計変更を行ったものであっても、本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。

１０基板、１２発光素子、１６受光素子、２０、２０ａ、２０ｂ光軸、３０レセプタクル筐体、３０ａフェルールガイド部、３０ｂガイドピン、３０ｃ嵌合孔、４０リードフレーム、４０ａ切り欠き部、５０集光レンズ、７２コア、７３クラッド、７４光ファイバ

Claims

主面の外縁に切り欠き部を有するリードフレームと、
前記切り欠き部がその周囲に露出するように前記リードフレームの前記主面に接着された基板と、
前記主面に対して略垂直な光軸を有し、前記切り欠きを位置決め基準として前記基板の上に接着された光素子と、
前記基板と前記光素子とを覆うように前記リードフレームに接触し、前記光軸と略一致する中心軸を有する筒状のフェルールガイド部と、前記切り欠き部にはめこまれたガイドピンと、を有するレセプタクル筐体と、
を備えたことを特徴とする光リンク装置。
前記光素子と、前記切り欠き部と、は、一定の配置関係を有することを特徴とする請求項１記載の光リンク装置。
前記光素子の前記光軸と略一致する光軸を有する集光レンズをさらに備え、
前記レセプタクル筐体は、前記フェルールガイド部の開口端部にテーパ断面形状を有する嵌合孔をさらに有し、
前記集光レンズの外周部は、前記嵌合孔と嵌合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光リンク装置。
一方の端部が前記集光レンズと対向するように前記フェルールガイド部内に挿入され、コア及び前記コアを囲むように設けられたクラッドを有する光ファイバをさらに備え、
前記集光レンズにより集光された前記光素子からの放出光は、前記一方の端部において前記コアの端面へ１１．５度以下の入射角で入射することを特徴とする請求項３記載の光リンク装置。
リードフレームと、前記リードフレームの上に接着された基板と、前記基板の上に接着された光素子と、前記基板及び前記光素子を覆うように前記リードフレームに接触したレセプタクル筐体と、を有する光リンク装置の製造方法であって、
前記リードフレームの主面の外縁に設けられた切り欠き部がその周囲に露出するように前記基板を前記リードフレームの前記主面の上に接着し、
前記切り欠き部を位置決め基準として前記基板の上に前記光素子を接着し、
前記レセプタクル筐体に設けられたガイドピン部を前記切り欠き部にはめ込むことにより、前記レセプタクル筐体に設けられた筒状のフェルールガイド部の中心軸と、前記光素子の光軸と、を略一致させるとともに、前記リードフレームと前記レセプタクル筐体とを固定可能とすることを特徴とする光リンク装置の製造方法。
前記光素子を接着する位置を、光学的に検出した前記切り欠き部の位置に基づいて決定することを特徴とする請求項５記載の光リンク装置の製造方法。