JP2011102925A - 光電気変換部品、光電気変換モジュール及び光電気変換モジュールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】歩留まりや組み立て作業性が良好な光電気変換部品、光電気変換モジュール及び光電気変換モジュールの製造方法を提供する。
【解決手段】光電気変換部品１１は、内蔵ガラスファイバ３２が挿入されるファイバ挿通孔１３が先端１２ａから後端１２ｂにわたって形成されたフェルール１２と、フェルール１２の先端１２ａに設けられた電極１４と、光ファイバ心線４２を保持した光コネクタ５０をフェルール１２の後端１２ｂに位置決めして接続させる位置決め穴２４とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光伝送等に用いられる光電気変換部品、光電気変換モジュール及び光電気変換モジュールの製造方法に関する。

発光素子で発生させた光信号を光ファイバにより伝送したり、光ファイバを伝搬してきた光信号を受光素子で受光する光伝送を行う光電気変換モジュールは、収納スペース等の制約からコンパクト化が望まれている。
このため、外面に金属めっき部を備えた樹脂製のフェルールに形成されたファイバ孔に光ファイバを挿入して固定し、光デバイスや電気デバイスなどの異なるデバイス同士を、金属めっき部を介して電気的に接続可能としてコンパクト化を図る技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１１５２８４号公報

一般に、光電気変換モジュールでは、フェルールを基板等に実装した後に、フェルールの光ファイバ挿通孔へ光ファイバを挿入して接続している。光ファイバの実装時に不具合が生じた場合、フェルール等が実装された基板毎交換せざるを得ないため、歩留まりの低下を招き、コスト高となるおそれがある。
また、光ファイバは、コードもしくはケーブルの状態ではその剛性の影響で、基板に実装したフェルールへの接続の作業性が良好とはいえなかった。

本発明の目的は、歩留まりや組み立て作業性が良好な光電気変換部品、光電気変換モジュール及び光電気変換モジュールの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決することのできる本発明の光電気変換部品は、ガラスファイバが挿入されるファイバ挿通孔が先端から後端にわたって形成されたフェルールと、
前記フェルールの先端に設けられた電極と、
光ファイバを保持した光コネクタを前記フェルールの後端に位置決めして接続させる位置決めガイドとを有することを特徴とする。

本発明の光電気変換部品において、前記フェルールは、ポリエーテルイミドを主成分とする熱可塑性樹脂から形成されていることが好ましい。

また、本発明の光電気変換モジュールは、上記のいずれかの光電気変換部品を備えた光電気変換モジュールであって、
前記フェルールの前記ファイバ挿通孔に、先端部が平滑面であるガラスファイバが挿入されて固定され、
前記フェルールの先端に前記電極と導通接続された状態に光デバイスが取り付けられ、
前記光コネクタが接続される前記フェルールの後端側における前記ガラスファイバの後端部が鏡面加工されていることを特徴とする。

また、本発明の光電気変換モジュールの製造方法は、フェルールの先端から後端にわたって形成されたファイバ挿通孔に先端部が平滑面であるガラスファイバを挿入し、
前記ガラスファイバの先端部を前記フェルールの先端に位置決めして固定し、
前記フェルールの後端における前記ガラスファイバの後端部を鏡面加工し、
前記フェルールの先端に光デバイスを取り付けることを特徴とする。

本発明の光電気変換部品によれば、ファイバ挿通孔へガラスファイバを挿入固定し、先端部に光デバイスを装着して電極と導通接続することにより、極めて容易に、光ファイバを保持した光コネクタを位置決めガイドによって後端に位置決めして接続させることが可能な光電気変換モジュールとすることができる。
そして、このように、光電気変換部品を備えた光電気変換モジュールによれば、基板に実装した後に、光コネクタを接続して光伝送を行うことができるので、光コネクタの接続後に、例えば、光ファイバ側に不具合が生じたとしても、光電気変換モジュールを交換する必要がなく、よって、歩留まりの低下によるコスト高を抑えることができる。また、予め光ファイバを接続した構造と比較して、回路基板等への取り付けの際の、良好な組み立て作業性を確保することができる。また、光コネクタとの接続前に各種の耐久試験を容易に行うことができる。
また、本発明の光電気変換モジュールの製造方法によれば、歩留まりの低下によるコスト高が抑えられ、また、組み立て作業性が良好な光電気変換モジュールを容易に製造することができる。

本発明の実施形態に係る光電気変換部品を示す図であって、（ａ）は先端側から視た斜視図、（ｂ）は後端側から視た斜視図である。 光電気変換部品の断面図である。 光電気変換部品から構成された光電気変換モジュールを示す斜視図である。 回路基板に実装された光電気変換モジュールの断面図である。 光電気変換モジュールの製造方法を示す図であって、（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ断面図である。

以下、本発明に係る光電気変換部品、光電気変換モジュール及び光電気変換モジュールの製造方法の実施の形態の例を、図面を参照して説明する。
図１及び図２に示すように、光電気変換部品１１は、フェルール１２からなるものであり、このフェルール１２は、樹脂によって一体成型されている。このフェルール１２は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を主成分とする熱可塑性樹脂から形成されている。ポリフェニレンサルファイドを主成分とする熱可塑性樹脂は、精密成形性に優れた樹脂であり、精密成形を要するフェルール１２に用いるのに好適である。また、このポリフェニレンサルファイドを主成分とする熱可塑性樹脂は、線膨張係数が小さく、耐熱性にも優れた樹脂である。

フェルール１２は、先端１２ａから後端１２ｂにわたって複数のファイバ挿通孔１３が形成されており、ファイバ挿通孔１３が、フェルール１２の幅方向に間隔をあけて配列されている。これらのファイバ挿通孔１３には、フェルール１２の後端１２ｂ側から、それぞれ後述する内蔵ガラスファイバ（ガラスファイバ）３２が挿入されて固定されるようになっている。

フェルール１２の先端側には突出部２２が設けられ、その先端１２ａに、厚さ方向へ延在する電極１４が複数設けられている。これらの電極１４は、例えば、インサート成型によってフェルール１２の先端１２ａに一体的に設けられている。つまり、このフェルール１２は、複数の電極１４とともに一体成型されている。

フェルール１２には、その後端１２ｂ寄りに、フランジ部２１が形成されている。そして、フェルール１２の先端側に形成された突出部２２は、フランジ部２１よりも薄く、幅寸法が小さい。突出部２２の厚さ寸法は、約０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下である。突出部２２のフランジ部２１側の根元部分は、フランジ部２１側へ向かって次第に厚さ及び幅が広く形成されている。これにより、突出部２２の根元部分における応力集中が抑制される。なお、この突出部２２の根元部分の厚さ方向及び幅方向の断面形状としては、円弧形状であってもよく、テーパ形状であってもよい。

また、フェルール１２には、フランジ部２１よりも後端側に、薄く、幅寸法が小さいガイド部２３が形成されている。ガイド部２３において、ファイバ挿通孔１３の後端部分には、後端へ向かって次第に拡径する挿入ガイド孔１３ａが形成されている。

フェルール１２のフランジ部２１には、その両端部に、位置決め穴（位置決めガイド）２４が形成されている。この位置決め穴２４には、後述する光コネクタ５０に装着された位置決めピン（位置決めガイド）４７が挿入可能である。位置決め穴２４に位置決めピン４７を挿入することにより、光コネクタ５０がフェルール１２の後端に位置決めされた状態で接続される。

次に、光電気変換モジュールについて説明する。
図３及び図４に示すように、光電気変換モジュール３１は、上記の光電気変換部品１１を備えている。
光電気変換モジュール３１では、光電気変換部品１１を構成するフェルール１２のファイバ挿通孔１３に、コア及びクラッドを有する内蔵ガラスファイバ３２が挿通され、固定用接着剤によって固定されている。これらの内蔵ガラスファイバ３２は、その先端部が平滑な面に形成され、フェルール１２の先端１２ａと同一面上またはファイバ挿通孔１３内へ少し引き込んだ位置に配置されている。

フェルール１２の先端１２ａには、光デバイス４１が取り付けられている。この光デバイス４１は、フェルール１２の先端１２ａに取り付けられる取り付け面である素子面４１ａに、素子部４２と端子部４３とを有している。
この光デバイス４１は、例えば、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）やフォトダイオードなどの発光素子または受光素子である。光デバイス４１の素子部４２は、光デバイス４１が発光素子である場合は発光部であり、光デバイス４１が受光素子である場合は受光部である。

この光デバイス４１は、その端子部４３が、フェルール１２に設けられた電極１４に対して、例えば、金（Ａｕ）からなるバンプ４４によって導通接続されている。このバンプ４４による接続は、超音波振動または熱によってバンプ４４を溶かして端子部４３と電極１４とを接続するフリップチップ接続で行われる。あるいは、異方性導電フィルム(ＡＣＦ)を用いて接着することも可能である。
このようにフェルール１２に取り付けられた光デバイス４１は、その素子部４２が、フェルール１２の光ファイバ挿通孔１３の対向位置に配置されている。

なお、フェルール１２には、先端１２ａの幅方向半分に発光素子からなる光デバイス４１を取り付け、残りの幅方向半分側に受光素子からなる光デバイス４１を取り付ける場合もある。
光デバイス４１は、フェルール１２の装着箇所を含む全体が、アンダーフィル材（図示省略）によって覆われて固定されている。

光電気変換部品１１は、光電気変換モジュール３１として用いる場合、ガイド部２３が切断され、フェルール１２の後端１２ｂがフランジ部２１と略同一面状となっている。この切断箇所では、内蔵ガラスファイバ３２の後端部が鏡面加工されている。なお、フェルール１２は、幅及び厚さ寸法が大きいフランジ部２１によって強度が上げられているので、ガイド部２３を切断して鏡面加工を施す際にも十分な耐久性を発揮することができる。

上記のような光電気変換モジュール３１は、図４に示すように、回路基板５１に実装される。
この回路基板５１は、回路面５１ａよりも低くされたモジュール実装面５１ｂを有しており、モジュール実装面５１ｂに、光電気変換モジュール３１のフェルール１２のフランジ部２１が固定され、回路面５１ａに、フェルール１２の突出部２２が固定される。

光電気変換モジュール３１は回路基板５１に対してリフローによって実装されるが、光電気変換部品１１を構成するフェルール１２が、耐熱性に優れ、線膨張係数が小さいポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を主成分とする熱可塑性樹脂から形成されているので、リフロー時の熱によって損傷するような不具合を防止することができる。なお、フェルール１２は、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）を主成分とする熱可塑性樹脂から形成することも可能である。また、フェルール１２は、例えば、フィラーを１０％以上５０％以下の含有率で含有させて強度を高めてもよい。

回路面５１ａとモジュール実装面５１ｂとの高さ寸法は、フェルール１２のフランジ部２１の下面と突出部２２の下面との高さ寸法と同一とされている。これにより、モジュール実装面５１ｂにフランジ部２１を配置したフェルール１２は、その突出部２２が回路面５１ａに配置される。このように、突出部２２を回路面５１ａへ配置させ、フランジ部２１をモジュール実装面５１ｂへ配置させることにより、この光電気変換モジュール３１を容易に回路基板５１の所定位置へ実装することができる。
なお、突出部２２は、回路基板５１の回路面５１ａに対して、先端２１ａから根元部分へわたって約１．５ｍｍ以上配置するのが好ましい。

回路基板５１には、回路面５１ａに、電気デバイス５５が実装されており、電気デバイス５５の端子５５ａが回路面５１ａに形成された回路パターン（図示省略）と導通されている。
なお、電気デバイス５５は、例えば、ドライバ、トランスインピーダンスアンプなどの光素子駆動ＩＣである。

また、この回路基板５１に実装された電気デバイス５５の端子５５ａは、例えば、金（Ａｕ）からなるボンディングワイヤ５６によってフェルール１２の電極１４に導通接続されている。
また、フェルール１２の電極１４は、回路基板５１の回路面５１ａに形成された回路パターンにも導通接続されている。

ここで、電極１４は、厚さが薄くされたフェルール１２の突出部２２の先端に設けられ、その長さ寸法が極力短くなっている。これにより、この電極１４における高周波特性を向上させ、電気的ノイズの影響を極力抑えることができる。

上記のように、回路基板５１に実装された光電気変換モジュール３１には、フェルール１２の後端１２ｂ側に、テープ状の光ケーブル４１の複数本の光ファイバ心線４２が接続された光コネクタ５０が接続される。この光コネクタ５０は、ポリエステル樹脂、ＰＰＳ樹脂及びエポキシ樹脂の何れかを含む材料で形成された光ファイバフェルール４４を有している。

光ファイバ心線４２は、コア及びクラッドを有するガラスファイバ（光ファイバ）４５を樹脂によって被覆したものであり、光ファイバ心線４２の端部で被覆から露出されたガラスファイバ４５が光ファイバフェルール４４に保持されている。そして、光ファイバフェルール４４における光電気変換モジュール３１との対向面である光入出面４４ａで、それぞれのガラスファイバ４５の端面が露出されている。

光コネクタ５０には、光電気変換モジュール３１側の光入出面４４ａの両側部に、光電気変換モジュール３１側へ突出する位置決めピン（位置決めガイド）４７が設けられている。これらの位置決めピン４７は、光電気変換モジュール３１のフェルール１２に形成された位置決め穴２４へ挿入可能である。光コネクタ５０は、位置決めピン４７を位置決め穴２４へ挿入させながら、光電気変換モジュール３１側へ近接させることにより、電極１４に影響を与えることなく、ガラスファイバ４５の端面４５ａを、光電気変換モジュール３１の内蔵ガラスファイバ３２の後端部に高精度に配置させることができる。

上記の光電気変換モジュール３１では、光デバイス４１と光コネクタ５０のガラスファイバ４５との間で、光電気変換モジュール３１の内蔵ガラスファイバ３２を介して光伝送が行われる。
発光素子からなる光デバイス４１からガラスファイバ４５へ光伝送が行われる場合では、光デバイス４１の素子部４２から発光された光が、光電気変換モジュール３１の内蔵ガラスファイバ３２を介して光コネクタ５０のガラスファイバ４５へ入射することとなる。また、光コネクタ５０のガラスファイバ４５から受光素子からなる光デバイス４１へ光伝送が行われる場合では、ガラスファイバ４５から出射した光が、光電気変換モジュール３１の内蔵ガラスファイバ３２を介して光デバイス４１の素子部４２へ入射することとなる。

このように、上記実施形態に係る光電気変換部品によれば、ファイバ挿通孔１３へ内蔵ガラスファイバ３２を挿入固定し、先端部に光デバイス４１を装着して電極１４と導通接続することにより、極めて容易に、光ファイバ心線４２を保持した光コネクタ５０を後端１２ｂに位置決めして接続させることが可能な光電気変換モジュール３１とすることができる。

そして、光電気変換部品１１を備えた光電気変換モジュール３１によれば、回路基板５１に実装した後に光コネクタ５０を接続して光伝送を行うことができるので、光コネクタ５０の接続後に、例えば、光ファイバ心線４２側に不具合が生じたとしても、光電気変換モジュール３１を交換する必要がなく、歩留まりの低下によるコスト高を抑えることができる。また、予め光ファイバ心線４３を接続した構造と比較して、回路基板５１等への取り付けの際の、良好な組み立て作業性を確保することができる。

また、実装後に光ファイバ心線４２と接続させることができるので、光ファイバ心線４２を接続した状態では行うことが困難であった光電気変換モジュール３１に対する各種の耐久試験を容易に行うことができる。なお、耐久試験としては、高温環境下での劣化試験であるバーンイン試験や静電気破壊（ＥＳＤ）試験などがある。

なお、上記の例では、光電気変換部品１１のフェルール１２に位置決め穴２４を形成し、この位置決め穴２４に光コネクタ５０側の位置決めピン４７を挿入させることにより、光電気変換部品１１と光コネクタ５０とを位置決めしたが、光電気変換部品１１のフェルール１２に位置決めピンを形成し、この位置決めピンを光コネクタ５０に形成した位置決め穴へ挿入して位置決めする構造としても良い。

次に、上記の光電気変換モジュール３１を製造する方法について、工程ごとに説明する。

（ガラスファイバ挿入工程）
まず、内蔵ガラスファイバ３２を切断し、フェルール１２の全長よりも僅かに長い寸法とする。このとき、内蔵ガラスファイバ３２は、その先端部を平滑面としておく。具体的には、内蔵ガラスファイバ３２の一部に傷を付け、その傷部分に曲げ力を付与して破断させるへき開切断、超硬刃切断あるいはレーザー切断によって、内蔵ガラスファイバ３２の先端部を平滑面とする。

このように、所定長さとした内蔵ガラスファイバ３２を、図５（ａ）に示すように、フェルール１２の後端１２ｂ側からファイバ挿通孔１３へ挿入する。このとき、後端側のガイド部２３では、ファイバ挿通孔１３が後端へ向かって次第に拡径する挿入ガイド孔１３ａとなっているので、内蔵ガラスファイバ３２を容易に案内させながら挿入することができる。

そして、内蔵ガラスファイバ３２のファイバ挿通孔１３への挿入途中に、この内蔵ガラスファイバ３２をフェルール１２に固定するための固定用接着剤を塗布する。
なお、内蔵ガラスファイバ３２の先端部を含めて固定用接着剤を塗布した後に、この内蔵ガラスファイバ３２をファイバ挿通孔１３へ挿入しても良い。

（ガラスファイバ位置決め固定工程）
全てのファイバ挿通孔１３で、内蔵ガラスファイバ３２の先端部が、フェルール１２の先端１２ａと同一面または先端１２ａから僅かに突出した状態まで内蔵ガラスファイバ３２を挿入したら、図５（ｂ）に示すように、フェルール１２の先端１２ａに、位置決め部材６１を押し付ける。この位置決め部材６１は、例えば、ゴムなどの弾性材料から形成されたものである。この位置決め部材６１を押し付けると、位置決め部材６１が弾性変形してファイバ挿通孔１３内へ僅かに入り込む。これにより、内蔵ガラスファイバ３２は、その先端部がファイバ挿通孔１３内へ僅かに押し込まれた状態に位置決めされる。

これにより、フェルール１２の先端１２ａに光デバイス４１を装着した際に、内蔵ガラスファイバ３２の先端部と光デバイス４１との干渉が防止される。
また、この位置決め部材６１には、フェルール１２の先端１２ａへの押し付け面に、予め、屈折率整合剤を、例えば、１０μｍ以下の薄さにて塗布しておく。この屈折率整合剤は、シリコン（Ｓｉ）系のグリスであり、この屈折率整合剤によって内蔵ガラスファイバ３２の先端部における固定用接着剤の残留が防止され、また、光デバイス４１との光伝送が良好に行われる。

上記のように内蔵ガラスファイバ３２を位置決めしたら、固定用接着剤を加熱硬化させることにより、内蔵ガラスファイバ３２をフェルール１２に固定する。
なお、内蔵ガラスファイバ３２のファイバ挿通孔１３への挿入後に、フェルール１２の先端１２ａに屈折率整合剤を塗布し、内蔵ガラスファイバ３２を、その先端部がフェルール１２ａの先端１２ａと同一面となる位置または先端１２ａから僅かに引き込んだ位置となるように、マイクロステージ等によって位置決めしても良い。

また、内蔵ガラスファイバ３２を、その先端部がフェルール１２の先端１２ａから僅かに突出する位置までファイバ挿通孔１３へ挿入して固定用接着剤を加熱硬化させた後、フェルール１２の先端１２ａで、内蔵ガラスファイバ３２をへき開切断、超硬刃切断あるいはレーザー切断にて切断して研磨し、内蔵ガラスファイバ３２の先端部をフェルール１２の先端１２ａと同一面にして、その後、屈折率整合剤を塗布しても良い。

（後端鏡面加工工程）
次に、図５（ｃ）に示すように、フェルール１２のガイド部２３を、内蔵ガラスファイバ３２とともにフランジ部２１側の根元部分から切断し、内蔵ガラスファイバ３２の切断面を鏡面加工する。ガイド部２３の切断の仕方としては、高速回転する円形のダイヤモンドブレードで切断するダイシングがあり、このダイシングによってガイド部２３を切断することにより、内蔵ガラスファイバ３２の切断面を鏡面仕上げすることができる。

（光デバイス装着工程）
図５（ｄ）に示すように、フェルール１２の先端１２ａの電極１４と光デバイス４１の端子部４３との間のバンプ４４を超音波振動または熱によって溶かし、端子部４３と電極１４とを導通接続させ、フェルール１２の先端１２ａに光デバイス４１を装着する。

上記の製造方法によれば、フェルール１２に内蔵ガラスファイバ３２が内蔵され、フェルール１２の先端１２ａに光デバイス４１が装着された光電気変換モジュール３１が得られる。つまり、歩留まりの低下によるコスト高が抑えられ、また、組み立て作業性が良好な光電気変換モジュール３１を容易に製造することができる。

１１：光電気変換部品、１２：フェルール、１２ａ：先端、１２ｂ：後端、１３：ファイバ挿通孔、１４：電極、２４：位置決め穴（位置決めガイド）、３２：内蔵ガラスファイバ（ガラスファイバ）、４１：光デバイス、４５：ガラスファイバ（光ファイバ）、５０：光コネクタ

Claims (4)

1. ガラスファイバが挿入されるファイバ挿通孔が先端から後端にわたって形成されたフェルールと、
   前記フェルールの先端に設けられた電極と、
   光ファイバを保持した光コネクタを前記フェルールの後端に位置決めして接続させる位置決めガイドと、を有することを特徴とする光電気変換部品。
2. 請求項１に記載の光電気変換部品であって、
   前記フェルールは、ポリエーテルイミドを主成分とする熱可塑性樹脂から形成されていることを特徴とする光電気変換部品。
3. 請求項１または２に記載の光電気変換部品を備えた光電気変換モジュールであって、
   前記フェルールの前記ファイバ挿通孔に、先端部が平滑面であるガラスファイバが挿入されて固定され、
   前記フェルールの先端に前記電極と導通接続された状態に光デバイスが取り付けられ、
   前記光コネクタが接続される前記フェルールの後端側における前記ガラスファイバの後端部が鏡面加工されていることを特徴とする光電気変換モジュール。
4. フェルールの先端から後端にわたって形成されたファイバ挿通孔に先端部が平滑面であるガラスファイバを挿入し、
   前記ガラスファイバの先端部を前記フェルールの先端に位置決めして固定し、
   前記フェルールの後端における前記ガラスファイバの後端部を鏡面加工し、
   前記フェルールの先端に光デバイスを取り付けることを特徴とする光電気変換モジュールの製造方法。

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