JP2011128576A - 単芯双方向光トランシーバーモジュール - Google Patents

Abstract

【課題】従来からの単芯双方向光トランシーバーモジュールは光軸合わせが発光素子と受光素子それぞれに必要であり、素子や部品の取付け方向も２方向であり、大量生産する場合のコストや生産性に問題があった。本発明は素子や部品の取付け方向を１方向にし生産性の向上を目的とする。
【解決手段】トランシーバーモジュールを光学部と電気基板部に分け、その２つを合わせるときに１回の光軸調整で光ファイバーコアへの光軸調整が完了し、素子や部品の取付け方向も光軸上に直角に２つ並べて同一面に配置することで大量生産性を大幅に向上した単芯双方向光トランシーバーモジュール。
【選択図】図１

Description

この発明は、光ファイバー１本で双方向光通信を行なう光トランシーバーモジュールに関するものである。

パソコンや情報家電で伝送される情報量の増加に伴い銅線では限界が生じ、大容量が伝達可能な光通信が必要になってきた。現在良く使用されるＬＡＮケーブルのような銅線が光ケーブルに置き換えられるには、電気信号を光信号にそして光信号を電気信号に変換する安価な光トランシーバーモジュールが必要とされている。

安価な光通信を実現するために光トランシーバーモジュールは、光ファイバー１本で双方向光通信方式が採用される。双方向光通信方式とは送信光信号の波長Ａと受信信号の波長Ｂが異なっている。光ファイバーは波長が異なった光信号でも干渉による減衰もなく、１本で双方向の通信が可能になる。

既存の双方向光通信を行なう光トランシーバーモジュールは切削加工した金属ケースに光軸合わせを行いながらレーザー溶接した製品や、プラスチック部品の組立による光軸合わせを行わない光トランシーバーモジュールが存在したが、生産性や精度そして価格面で改良の余地があった。

特願２００７−５１６３７８

電子情報通信学会 ＯＱＥ９１−１０８

既存の光トランシーバーモジュールは非特許文献１のような形態であり、金属部品をレーザー溶接での組み合わせや、特許文献１のような幾つかのプラスチック部品を組み合わせて製作されていた。光トランシーバーモジュールからの光信号は光ファイバーにより伝送されるが、光ファイバーの光を伝送する部分のコア径は１０〜１００ｕｍと大変に小さい。コアに光軸を合わせながら金属部品を溶接するのはコストが高く生産性も悪い。光軸合わせを行わずプラスチック部品を組み合わせると品質を一定にするのが困難であった。生産性が良く、しかも高い精度の光軸合わせが簡単に行える光トランシーバーモジュールを目的とする。

以上の課題を解決するために、第一発明は、光トランシーバーモジュールを光学部と発光・受光素子が光軸上に直角に２つ並んで（タンデム状）配置された電気基板部に分けて製作する。いずれも大量生産時の組立を容易にするため、製品のチャッキングが単純で、部品の挿入も一方向からであることを特徴とする。

既存の光トランシーバーモジュールは組立の際、配置関係が図５のように１つのトランシーバーモジュール本体に２方向或いは３方向からの部品挿入が必要であった。従って、生産の際にはモジュール全体をチャッキングして方向を回転させて生産するか、又は組立ロボットのアームが数方向から部品を移動し装着しなければならなかった。いずれの場合も精度を上げるには高額の設備投資が必要になる上に光トランシーバーモジュールを小型化する場合の弊害となった。一方向からの部品挿入はその課題を解決する。

第二発明は、図４で示すように光学部Ｋをパーツの組み合わせで完成させた後、発光素子１０１、受光素子１０２が配置されたプリント基板などの電気基板部Ｄと合わせ、Ｘ方向Ｙ方向移動することで複雑な光軸合わせを１回のみで終了できる。

既存の光トランシーバーモジュールは、それぞれの部品を組立てる度に光軸合わせが必要であり、行なわない場合は光軸精度に大きなばらつきが生じた。これは生産に掛かる時間と費用の負担となり、行わない場合は完成品の光軸チェックに手間取った。１回のみの簡単な光軸合わせはそれらを解決する。

第一発明、そして第二発明によれば、既存の組立ロボットの技術により、光軸合わせが正確かつ安価に行えることで、光トランシーバーモジュールの大量生産が可能となる。また、今後予定されているパソコンや映像・情報家電等の機器間光接続やそれら機器内部での短距離光伝送向けの小型光トランシーバーモジュールの生産が安価に行える。

この発明の一実施形態を示す斜視図である。 この発明のスプリター部分の一実施詳細を示す斜視図である。 この発明の組み立て式スプリッターの一実施形態を示す斜視図である。 この発明の光軸調整方法の一実施形態を示す斜視図である。 従来技術概念を示す平面図である。

以下の図を示しながらこの発明を実施するための形態を説明するが、各部品の位置、大きさ等はこの発明の説明のための概略であり、材質および数値的な条件は、単なる例にすぎず、この発明は以下の形態に限定されない。光信号の波長とスプリッターの反射する波長についても、説明の一例として光信号Ａが例えば７８０ｎｍそして光信号Ｂが例えば８５０ｎｍとしているが、通信可能であればあらゆる波長が選択できる。発光素子１０１については、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＶＣＳＥＬ（面発光レーザー）、ＬＤ（端面発光レーザー）が使用可能である。受光素子はＰＤ（フォトダイオード）を使用する。

この発明の一実施形態を、図１に示す。
この光トランシーバーモジュールは光学部Ｋと電気基板部Ｄに分けて生産される。

光学部Ｋのコネクター部分Ｃは、例えば電鋳技術で生産される金属製や精密プラスチック製である。電鋳の場合ミクロンの精度で製作が出来る。コネクター部分Ｃには光ファイバーＦのコア部分に光信号を集約する役目のレンズＲ１を付属させる。

光学部の立体スプリッター部分Ｓはガラスもしくは精密な透明プラスチック（ポリメチル・メタクリレートやポリカーボネイト等）の三角柱を３個組み合わせて作られる。発光素子１０１、受光素子１０２がスプリッターに接触しないようにするコの字型のスペーサーＳＰを接着した立体スプリッター部分Ｓは、それ自体が光学部のボディーとなる。立体スプリッターＳの３つの三角柱はそれぞれ異なったコーティングがなされている。

立体スプリッターＳのそれぞれのコーティングについて図２を用いて述べる。光信号Ａが例えば７８０ｎｍの波長、そして光信号Ｂが例えば８５０ｎｍの波長の場合を想定する。７８０ｎｍの光信号を送信するトランシーバーモジュールＭＡの三角柱３０１には、７８０ｎｍを発する発光素子１０１（Ａ）からの戻り光を受光素子１０２（Ｂ）に進入させないため、７８０ｎｍの波長を反射するコーティング３０１ＣＡが施される。戻り光とは本来、光ファイバーのコアに入光するはずの光信号の一部がファイバー端面の反射等さまざまな理由で送り手側に戻ることを言う。戻り光は送り手側の受光素子に入るとノイズとなり悪影響を及ぼす。８５０ｎｍの波長を送信するトランシーバーモジュールＭＢの場合は、同じ理由で８５０ｎｍの波長を反射するコーティング３０１ＣＢが行われる。

７８０ｎｍを送信するトランシーバーモジュールＭＡの三角柱３０２には、光ファイバーＦを通して送られてくる８５０ｎｍの光信号Ｂを受光素子１０１（Ｂ）に導くために８５０ｎｍの波長を９０度方向変換するためのコーティング３０２ＣＢが施される。８５０ｎｍの波長を送信するトランシーバーモジュールＭＢの場合は同じく７８０ｎｍの光信号００１を９０度方向変換するためのコーティング３０２ＣＡが行われる。

三角柱３０３には７８０ｎｍも８５０ｎｍも９０度方向変換するためのコーティング３０３ＣＡＢが施される。３つの三角柱３０１、３０２、３０３は接着され１つのスプリッター部分Ｓを形成する。光学部Ｋは図１のようにコネクター部分Ｃとスプリッター部分Ｓそしてコの字型スペーサーＳＰを接着し完成する。

図１に示す電気基板部Ｄには発光素子１０１と受光素子１０２が基準線に合わせて正確に載せられている。電気基板にはプリント基板もしくはフレシキブル基板が使用される。発光素子１０１の出力側には光を平行光にするためのコリメートレンズＲ２が設置される。

それら２つの素子の回りは光学部Ｋが調整設置時に移動可能な僅かな空間が設けられている。光学部Ｋと電気基板部Ｄはアクティブアライメント調整後にＵＶ接着剤などで固定される。

アクティブアライメント調整時には図４で示すように、電気基板部Ｄに通電し発光素子１０１を発光させる。光学部ＫをＸＹ方向に移動しコネクター部分Ｃからの光出力が最も高くなったところ、又はある一定の出力を超えた地点でＫとＤは接着固定され製品が完成する。光学部Ｋではなく電気基板部ＤをＸＹ方向に移動しても同じ効果を得ることが出来る。

「実施形態の効果」
この実施形態によれば光学部Ｋの組立は、組立ロボット任せで光軸調整は行なわない。組立接着部品の集合体である光学部Ｋは各接着が必ず定位置でなされているとはか限らず数ミクロンの光軸ズレが発生する可能性がある。通常は光学部のみを組立てる場合には基準となる光源と受光測定する精密な位置合わせ確認用の光学検査系統をロボットに組み込み、検査を行いながらの組立を行わなければならない。しかしロボットに光軸検査用の光学系を組み込むと仕組が複雑で装置が高額になる上に生産速度も遅い。また光学系は定期的なメインテナンスが必要となる。さらに光学部と発光・受光部を分けて生産し合体する場合は、実際の発光・受光部の光軸は生産時に多少のバラツキが生じ、それらを合体した場合は、光軸がテスト装置での調整結果と一致するとは限らない。従ってテスト装置で光軸調整が行われた製品でも、トランシーバーを組上げたときに光軸が完全に合う保証はない。

本発明は光学部Ｋに多少の組み立て誤差が生じても電気基板部Ｄにある実際に使用する光源である発光素子１０１の光を元に、光学部Ｋと電気基板部Ｄを接合するときにＸＹ方向だけの微調整による接着で光軸合わせが可能となる。具体的な説明を図５により行うと発光素子１０１を作動させ光学部Ｋを固定し電気基板部本体をマイナスＸ方向移動すれば光軸の中心は光ファイバーＦのコアに向かって上側に移動し、光学部分本体をプラスＸ方向移動すれば、光軸の中心は光ファイバーＦのコアに向かい下側に移動する。

同じく光学部Ｋを固定し電気基板部本体をマイナスＹ方向移動すれば、光軸の中心は光ファイバーＦのコアに向かって左側に移動し、光学部Ｋ本体をプラスＹ方向移動すれば、光軸の中心は光ファイバーＦのコアに向かい右側に移動する。

上記の光軸の動きから、電気基板部Ｄに通電して発光素子１０１を発光させ、光ファイバーＦのコア位置に相当する場所に光パワーメーターを設置して測定しながらＸＹの調整を行ない、光パワーメーターの出力が最も強くなった点、或いは規定の出力を超えた時点が光ファイバーＦのコアと光軸があったと判断できる。そのポイントで電気基板部Ｄと光学部ＫをＵＶ接着剤などで接着すれば、光トランシーバーモジュールの光軸調整が１回で完成する。

光パワーメーターが規定の出力を示さない場合は、光学部Ｋか電気基板部Ｄのどちらかが規格に満ちていない。２つを接着せずに分別保管し、それぞれをまとめて検査し良品だけを再利用する事ができる。通常は発光素子１０１や受光素子１０２は光学部に組み込まれてしまい、製品検査で不合格となったモジュールは全てを廃棄しなければならなかったが、光学部Ｋと電気基板部Ｄ分けることで良品部品は再利用可能となり歩留まり向上に寄与する。

「他の実施形態」
光トランシーバーモジュールの光学部Ｋのスプリッター部分Ｓは例えば電鋳の技術やエッチングとプレスによる金属製、或いはプラスチック製にする事も可能である。電鋳の場合ミクロンの精度で製作が出来る。図３でその内容を示す。本体には１方向に開口部があり、その内部には発光素子１０１からの光を９０度方向転換するためのコ−ティング板４０１を収納するための４５度スリットＳＬ１、ファイバーＦから来た光を９０度方向転換し受光素子１０２に伝送すると同時に発光素子１０１からの光を通過させるコ−ティング板４０２を収納するための４５度スリットＳＬ２を有する、またスリットに部品を装填後、発光素子１０１からの反射戻り光が受光素子に進入しないためのコ−ティング板４０３を載せるためのトレイＴ１を有する。組み立て式のスプリッター部分ＫＳにはコネクター部分Ｃを接着したのち、電気基板部ＤとのＸＹによる調整を行う。
尚、図１、図３の実施形態では、光コネクターのフェルール部分が光学部ＫのコネクターＣに差し込まれる形態となっているが、光学部ＫのコネクターＣの径は自由に変更でき、Ｃの種類をＳＣコネクター用、ＬＣコネクター用に使い分けたり、更に精密で小さな穴にして光ファイバーＦを直接挿入接着することも可能である。

Ｄ 電気基板部
１０１ 発光素子
１０２ 受光素子
Ｒ２ コリメートレンズ
Ｆ 光ファイバー
Ｋ 光学部
Ｃ コネクター部分
Ｒ１ 光ファイバーＦのコア部分に光信号を集約する役目のレンズ
Ｓ スプリッター部分
ＳＰ コの字型スペーサー
３０１ コーティング３０１ＣＡ 又は３０１ＣＢのスプリッターを有する三角柱
３０２ コーティング３０２ＣＢ 又は３０２ＣＡのスプリッターを有する三角柱
３０２ コーティング３０３ＣＡＢのスプリッターを有する三角柱
３０１ＣＡ Ａ波長の光を反射し、Ｂ波長を通過させるスプリッター
３０１ＣＢ Ｂ波長の光を反射し、Ａ波長を通過させるスプリッター
３０２ＣＢ Ｂ波長の光を光軸から９０方向変換し、Ａ波長を通過させるスプリッター
３０２ＣＡ Ａ波長の光を光軸から９０方向変換し、Ｂ波長を通過させるスプリッター
３０３ＣＡＢ Ａ波長、Ｂ波長共に反射させるスプリッター
１０１（Ａ） Ａ波長を発光する発光体（ＶＣＳＥＬ，ＬＤ，ＬＥＤ）
１０１（Ｂ） Ｂ波長を発光する発光体（ＶＣＳＥＬ，ＬＤ，ＬＥＤ）
１０２（Ａ） Ａ波長を受信する受光体（ＰＤ）
１０２（Ｂ） Ｂ波長を受信する受光体（ＰＤ）
ＳＣ スプリッター部分の収納ケース
ＳＬ１ スプリッター部分を組立方式にした場合の板状スプリッターを入れる溝１
ＳＬ２ スプリッター部分を組立方式にした場合の板状スプリッターを入れる溝２
Ｔ１ スプリッター部分を組立方式にした場合の板状スプリッターを載せる棚１
４０１ Ａ波長、Ｂ波長共に反射させるスプリッター板
４０２ Ａ波長の光を光軸から９０方向変換しＢ波長を通過させるスプリッター板
或いは Ｂ波長の光を光軸から９０方向変換しＡ波長を通過させるスプリッター板
４０３ Ａ波長の光を反射し、Ｂ波長を通過させるスプリッター板
或いは Ｂ波長の光を反射し、Ａ波長を通過させるスプリッター板

Claims (3)

1. 光トランシーバーモジュールを光学部と電気基板部に分け、どちらか片方を固定しておき２つを合わせ、合わせた２次元平面上で固定していない片方をＸとＹ方向あるいはその両方向に移動することで光ファイバーコアへの光軸調整が１回だけで完了する単芯双方向光トランシーバーモジュール。光学部の構造は光コネクターと光ファイバーのコアに光を集めるレンズから成るコネクター部分、そして光通信に使用する２波長のうち受信波長のみを反射し光軸から９０度方向転換して受光素子に送るスプリッターと発光素子からの光を９０度方向転換して光ファイバーの光軸に導く反射を行うスプリッター、そして発光素子からの戻り光を受光素子に進入させないようにするスプリッターを３個の透明三角柱とコーティングにより１つのユニットとして単純化している。電気基板部の構造は、発光素子と受光素子が基板面に垂直方向の光軸で２個並べて配置し発光素子の出力側には光を平行光にするコリメートレンズを設置する。光学部、電気基板部共に光軸合わせを行わずに簡単に素早く組み立て、それらを合わせる時に１回だけアクティブな光軸調整を２次元平面上でＸとＹ方向あるいはその両方向に移動しコネクター部分からの出力が最も高いか、基準値をクリアしたときに光軸調整が完了し、そのポイントで２個を固定するだけで製品が完了する、大量生産性の良さを特徴とする単芯双方向光トランシーバーモジュール。
2. 請求項１考案の単芯双方向光トランシーバーモジュール光学部のスプリッター部分を透明三角柱にコーティングを行い３個合体した方式ではなく、スリットとトレイが形成されたスプリッターケースに板状のスプリッターを挿入・装着して同じ効果を行う、単芯双方向光トランシーバーモジュール。
3. 請求項１考案の単芯双方向光トランシーバーモジュール光学部のコネクター部分の形状をＳＣコネクターやＬＣコネクター、そして光ファイバーの直接接続などコネクター形状を変化させるだけで、光ファイバーとの接続方法が様々に対応可能である、単芯双方向光トランシーバーモジュール。

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