JP2011221281A - 光電気変換モジュール用部品及び光電気変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】光・電気信号の相互変換が可能でかつ、低ノイズの出力信号が得られる光電気変換モジュール用部品を提供することを目的とする。
【解決手段】光ファイバ９が挿入固定される複数の貫通孔２ａが開口する端面２ｂを有する光ファイバ位置決め部品２と、端面２ｂに設けられた発光素子３と、端面２ｂに設けられた受光素子４と、端面２ｂに設けられ、発光素子３及び受光素子４にそれぞれ電気的に接続された複数のリード７ａ，８ａとを備え、光ファイバ位置決め部品２にトランスインピーダンスアンプ６が設けられている光電気変換モジュール用部品１により、上記目的が達成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気信号及び光信号の相互変換が可能な光電気変換モジュール用部品及びこれを用いた光電気変換モジュールに関する。

近年の通信ネットワークの大容量化・高速化やスーパーコンピュータの処理能力の向上に伴って、伝送速度の向上が要請され、光インターコネクション技術が注目されている。この技術は、ＬＳＩ等の信号処理装置との接続、あるいは信号処理装置とルータ等の外部インターフェイスとの接続に光電気変換モジュールを用いて、機器間の電気信号を光信号に置き換えて伝送速度を向上させようとするものである。

このような光電気変換モジュールとして、特許文献１に記載のものがある。特許文献１に記載の光電変換ヘッダー（光電気変換モジュール）は、光導波体（光ファイバ）と、光導波体を保持し位置決めするフェルールと、フェルールに設けられた電気配線（リード）と、フェルールに搭載され電気配線に接続された面型光素子（発光素子又は受光素子）とを有する。

特開２００８−２９９０６２号公報

特許文献１記載の光電気変換モジュールは、単一のフェルールに発光素子あるいは受光素子のいずれか一方のみを搭載することを開示している。しかしながら機器の小型化の要請から、単一のフェルールが電気信号を光信号に変換する発光素子と、光信号を電気信号へ変換する受光素子の２種類の光電変換素子を備えた光・電気信号の相互変換が可能な光電気変換モジュールを実現することが望ましい。

そこで本発明者らは、図７に示すように１つの光電気変換モジュール用部品１０１に受光素子と発光素子の二つの光電素子を設け、光・電気信号の相互変換を可能な光電気変換モジュール１００Ａを実現することを考えた。

図７において、参考例に係る光電気変換モジュール１００Ａは、発光素子１０３と受光素子１０４とが搭載され光ファイバ１０９を位置決めするフェルール１０２からなる光電気変換モジュール用部品１０１と、発光素子１０３を駆動するドライバＩＣ１０５と、受光素子１０４の信号を増幅するトランスインピーダンスアンプ１０６と、発光素子１０３とドライバＩＣ１０５とを接続するリード１０７ａ及びワイヤ１０７ｂと、受光素子１０４とトランスインピーダンスアンプ１０６とを接続するリード１０８ａ及びワイヤ１０８ｂと、これらを支持する取付基板１１０とを有する。

ところが、一つの光電気変換モジュール用部品１０１に受光素子１０３と発光素子１０４の両方を設けると、受光素子１０３から出力される電気信号に大きなクロストークノイズが発生することが判明した。これは、以下のようなメカニズムでクロストークノイズが発生しているものと考えられる。

一般に、受光素子１０４は受光した光量に応じて微弱電流（１０マイクロアンペア）を出力するので、これをトランスインピーダンスアンプ１０６で増幅して電圧信号（２００ミリボルト）として取り出している。また、発光素子１０３には電気信号に応じてドライバＩＣ１０５から１０ミリアンペア程度の電流が供給されることで、光信号が出力される。

このとき、発光素子１０３とドライバＩＣ１０５とを接続するリード１０７ａとワイヤ１０７ｂには発光素子１０３を駆動するための比較的高電流が流れ、受光素子１０４とトランスインピーダンスアンプ１０６とを接続するリード１０８ａとワイヤ１０８ｂには増幅前の受光素子１０４から発生する微弱な電流が流れることになる。
したがって、図７のように、一つのフェルール１０１に発光素子１０３と受光素子１０４の両方が設けられると、特にワイヤ１０７ｂを流れる高電流がワイヤ１０８ｂを流れる微弱電流に影響を及ぼし、トランスインピーダンスアンプ１０６に入力される電流信号にノイズが混入してしまう。トランスインピーダンスアンプ１０６はノイズが混入された電流信号を増幅するので、トランスインピーダンスアンプ１０６から得られる出力信号に増幅されたノイズが混入されると考えた。

そこで、本発明は光・電気信号の相互変換が可能でかつ、低ノイズの出力信号が得られる光電気変換モジュール用部品及びこれを用いた光電気変換モジュールを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明によれば、
光ファイバが挿入固定される複数の貫通孔が開口する端面を有する光ファイバ位置決め部品と、
前記端面に設けられた発光素子と、
前記端面に設けられた受光素子と、
前記端面に設けられ、前記発光素子及び前記受光素子にそれぞれ電気的に接続された複数のリードとを備えた光電気変換モジュール用部品であって、
前記光ファイバ位置決め部品にトランスインピーダンスアンプが設けられていることを特徴とする光電気変換モジュール用部品が提供される。

また、本発明によれば上記光電気変換モジュール用部品において、
前記トランスインピーダンスアンプと前記受光素子は前記端面に搭載されており、
前記トランスインピーダンスアンプは、前記受光素子及び前記リードとワイヤボンディングで接続されていることが好ましい。

また、本発明によれば上記光電気変換モジュール用部品において、
前記トランスインピーダンスアンプは、前記光ファイバ位置決め部品における複数の前記貫通孔の配列面と略平行に延在する面に設けられ、
前記トランスインピーダンスアンプは前記受光素子とワイヤボンディングで接続されていることが好ましい。

さらに、上記目的を達成するために本発明によれば、
取付基板と、
前記取付基板に取り付けられた前記光電気変換モジュール用部品と、
前記光電気変換モジュール用部品に挿入固定された光ファイバと、
前記取付基板に設けられて前記発光素子を駆動する駆動ユニットとを有する光電気変換モジュールが提供される。

本発明に係る光電気変換モジュール用部品によれば、受光素子と発光素子とが光ファイバ位置決め部品の同一端面に設けられるので、受光素子が出力する微弱電流信号の流れる出力経路は発光素子の近くに配置されることになる。しかし、受光素子が設けられる光ファイバ位置決め部品にトランスインピーダンスアンプを設けたので、受光素子とトランスインピーダンスアンプとの距離を短くして受光素子とトランスインピーダンスアンプ間の出力経路を短くすることができる。
したがって、高電流の流れる発光素子及び発光素子に接続されたリード等によってノイズの影響を受ける受光素子からの出力経路を短くすることができるので、受光素子からノイズの小さい電気信号を取り出すことのできる光電気変換モジュール用部品及びこれを用いた光電気変換モジュールを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る光電気変換モジュールの斜視図である。 本発明の第１実施形態に係る光電気変換モジュール用部品の正面図である。 本発明の第１実施形態の変形例に係る光電気変換モジュール用部品の正面図である。 本発明の第２実施形態に係る光電気変換モジュールの斜視図である。 本発明の第３実施形態に係る光電気変換モジュールの斜視図である。 本発明の第４実施形態に係る光電気変換モジュールの斜視図である。 参考例に係る光電気変換モジュールの斜視図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態に係る光電気変換モジュール用部品１を用いた光電気変換モジュール１００について、図１、図２を参照して説明する。図１は光電気変換モジュール１００の斜視図であり、図２は光電気変換モジュール用部品１の正面図である。

図１を参照して、第１実施形態に係る光電気変換モジュール用部品１は、光ファイバ９ａ，９ｂを保持し位置決めするフェルール（光ファイバ位置決め部品）２と、電気信号に応じて光信号を発する発光素子３と、受光した光信号に応じて電気信号を発する受光素子４と、発光素子３に電気的に接続されたリード７ａと、受光素子４に電気的に接続されたリード８ａと、受光素子４の出力を増幅するトランスインピーダンスアンプ６とを有する。

光電気変換モジュール用部品１は、フェルール２に挿入されて位置決め固定される光ファイバ９ａ，９ｂと、発光素子３を駆動するドライバＩＣ５（駆動ユニット）と、受光素子４からの電気信号を外部へ出力するための出力端子１３と、ドライバＩＣ５から発光素子３へ電気信号を伝達するワイヤ７ｂと、受光素子４から外部端子１３へ電気信号を伝達するワイヤ８ｂと、光電気変換モジュール用部品１とドライバＩＣ５と出力端子１３とが取り付けられる取付基板１０と共に、光電気変換モジュール１００を構成する。

フェルール２は、エポキシ樹脂等の金型成型により形成される略直方体状の部材であり、その底面が取付基板１０に対向した状態で取り付けられる。フェルール２の内部には取付基板１０と平行に延びる貫通孔２ａが設けられ（図２参照）、貫通孔２ａはフェルール２の素子搭載面である端面２ｂで開口する。貫通孔２ａには光ファイバ９ａ，９ｂが挿通され、光ファイバ９ａ，９ｂは、その端面が受光素子４又は発光素子３との間に僅かな隙間を介して対向するように位置決めされている。この構造により、光ファイバ９ａ，９ｂの端面が受光素子４又は発光素子３に接触して、受光素子４又は発光素子３が損傷しないようにされている。

また、本実施形態では、発光素子３に接続される入力用の光ファイバ９ａと受光素子４に接続される出力用の光ファイバ９ｂとからなる２本の光ファイバ９ａ，９ｂがフェルール２に接続され、これら２本の光ファイバ９ａ，９ｂは取付基板１０あるいはフェルール２の上面２ｃと平行に配列されている。換言すれば、光ファイバ９ａ，９ｂの配列面は、フェルール２の上面２ｃと略平行である。

貫通孔２ａが開口するフェルール２の端面２ｂには、発光素子３の発光領域及び受光素子４の受光領域がそれぞれ入力用・出力用の光ファイバ９ａ，９ｂの端面に対向するように取り付けられている。また、フェルール２の端面２ｂには、発光素子３に電気的に接続される導電性のリード７ａと、受光素子４に電気的に接続される導電性のリード８ａとがスパッタリングやめっき等によって形成される。また、リード７ａ，８ａはフェルール２の上面２ｃに延びて形成され、ドライバＩＣ５や出力端子１３とワイヤ７ｂ，８ｂによってワイヤボンディングで接続されている。

発光素子３は取付基板１０に取り付けられたドライバＩＣ５から出力される電流信号に応じて光信号を発し、入力用の光ファイバ９ａを介して不図示の外部機器に光信号を伝達する。発光素子３としては、電圧に応じて発光するＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ ＬＡＳＥＲ）等の半導体発光レーザーを用いることができる。発光素子３はリード７ａとワイヤ７ｂを介して取付基板１０上に固定されたドライバＩＣ５と電気的に接続されている。

受光素子４は、出力用の光ファイバ９ｂを介して不図示の外部機器から入力される光信号に応じて電気信号を出力する。受光素子４としては、受光した光量に応じて電流を発生させるフォトダイオードを用いることができる。受光素子４から出力される電流信号は微弱なため、トランスインピーダンスアンプ６によって増幅される。

トランスインピーダンスアンプ６も発光素子３及び受光素子４が設けられるフェルール２の端面２ｂに設けられ、トランスインピーダンスアンプ６は受光素子４とワイヤ１１を介してワイヤボンディングで接続される。更に、トランスインピーダンスアンプ６の出力はワイヤ１２、リード８ａ、ワイヤ８ｂを介して出力端子１３に出力される。このトランスインピーダンスアンプ６は受光素子４に対して発光素子３と反対側に設けられる。

フェルール２の端面２ｂの構造について、図２を用いて更に詳細に説明する。図２は本発明の第１実施形態に係る光電気変換モジュール用部品１の正面図であり、フェルール２の端面２ｂを示している。
フェルール２の端面２ｂに取り付けられる発光素子３からは２本のリード７ａ，７ａ１が延出し、フェルール２の上面１ｃと跨って形成されている。このうち、リード７ａは発光素子３を発光させる電流信号（駆動電流）を伝達する。リード７ａ１は発光素子３の接地線であり、外部の接地導体と接続される。

受光素子４からも１本のリード８ａ１が延出し、フェルール２の上面１ｃに跨って形成されている。このリード８ａ１は受光素子４の接地線であり、リード７ａ１と同様に外部の接地導体と接続される。（なお、以降の説明においては、発光素子３又は受光素子４の信号を伝達するリード７ａ，８ａ及びワイヤ７ｂ，８ｂに注目して説明するので、以下に説明する図４〜７に示す光電気変換モジュールでは、電気信号を伝達するリード７ａ，８ａ及びワイヤ７ｂ，８ｂのみを示し、接地線は省略して示している。）

トランスインピーダンスアンプ６の周囲には、トランスインピーダンスアンプ６の出力を出力端子１３（図１参照）に伝達するためのリード８ａと、トランスインピーダンスアンプ６の接地用のリード８ａ２と、トランスインピーダンスアンプ６を動作させる電力を供給するためのリード８ａ３とが設けられる。

受光素子４とトランスインピーダンスアンプ６とは上述の如くワイヤ１１によりワイヤボンディングで接続され、トランスインピーダンスアンプ６とリード８ａもワイヤ１２によりワイヤボンディングで接続される。トランスインピーダンスアンプ６とこの他のリード８ａ１〜８ａ３もそれぞれワイヤボンディングで接続される。

なお、各々のリード７ａ〜８ａ３は図１のようにフェルール２の上面１ｃに跨って延びて形成されるので、取付基板１０上に設けられ端子が上面に露出するドライバＩＣ５や出力端子１３とワイヤボンディングで容易に接続することができる。

また、上述のフェルール２の端面２ｂの構造は一例であり、図３に示す第１実施形態の変形例に係る光電気変換モジュール用部品１Ａの如く、受光素子４とトランスインピーダンスアンプ６の接地電極を共通化してリード８ａ４としてもよい。また、図示しないが、発光素子３と受光素子４とトランスインピーダンスアンプ６の接地電極を共通化したりしてもよい。

以上の光電気変換モジュール用部品１を用いた光電気変換モジュール１００によれば、発光素子３と受光素子４とを単一のフェルール２に取り付けたことにより、光・電気信号を互いに変換できるコンパクトな光電気変換モジュール１を提供することができる。

さらに、トランスインピーダンスアンプ６と受光素子４とをフェルール２の同一端面２ｂに設けて両者の距離を短くしたので、受光素子４からの微弱電流信号が流れる出力経路（ワイヤ１１）を短くすることができる。したがって、比較的高電流の流れる発光素子３のリード７ａやワイヤ７ｂからのノイズを受けやすいワイヤ１１を短くでき、トランスインピーダンスアンプ６は受光素子４からノイズの少ない信号を増幅するので、受光素子４からノイズの小さい出力信号を得ることができる。

また、トランスインピーダンスアンプ６は受光素子４に対して発光素子３と反対側に設けられているので、微弱電流信号の流れるワイヤ１１は発光素子３から離れた位置に配線することができるので、受光素子４からの出力信号に更にノイズが混入しにくい。
なお、受光素子４からワイヤ１１を経てトランスインピーダンスアンプ６で増幅された出力信号は、リード７ａやワイヤ７ｂに流れる信号強度と同等の大きさを有するので、リード７ａやワイヤ７ｂによるノイズの影響は小さい。

＜第２実施形態＞
上述の第１実施形態に係る光電気変換モジュール用部品を用いた光電気変換モジュール１００は、発光素子３に接続される出力用の光ファイバ９ａと受光素子４に接続される入力用の光ファイバ９ｂをそれぞれ一本ずつ備えた構成であるが、複数の入力用・出力用の光ファイバ９ａ，９ｂを備えた構成としてもよい。
図４は本発明の第２実施形態に係る光電気変換モジュール用部品１Ｂを用いた光電気変換モジュール２００の斜視図である。光電気変換モジュール２００は光電気変換モジュール１００の変形例であって、同様の部材については同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。

光電気変換モジュール２００は、複数本（図示の例では４本）の入力用・出力用の光ファイバ９ａ，９ｂがフェルール２に接続されている。これらの内、２本の入力用の光ファイバ９ａは２つの発光素子が単一のユニットにまとめられた発光ユニット３Ｂに接続され、残り２本の出力用の光ファイバ９ｂは２つの受光素子が単一のユニットにまとめられた受光ユニット４Ｂに接続されている。発光ユニット３Ｂ及び受光ユニット４Ｂはそれぞれフェルール２の端面２ｂに取り付けられている。

トランスインピーダンスアンプ６Ｂは受光ユニット４Ｂと同様に出力用の光ファイバ９ｂの配列方向に細長い形状であり、フェルール２の端面２ｂのうち受光ユニット４Ｂよりもフェルール２の上面２ｃ側に配置されている。トランスインピーダンスアンプ６Ｂはリード８Ｂａを介して受光ユニット４Ｂの各受光素子と接続され、トランスインピーダンスアンプ６Ｂからはリード８Ｂｂがフェルール２の上面２ｃまで延出する。さらに、リード８Ｂｂはワイヤ８Ｂｃを介して出力端子１２と接続されている。

本実施形態に係る光電気変換モジュール２００でも、トランスインピーダンスアンプ６Ｂはフェルール２の端面２ｂに設けられて、受光ユニット４Ｂとトランスインピーダンスアンプ６Ｂとの距離が短くされ、受光ユニット４Ｂから微弱電流の流れる出力経路（リード８Ｂａ）が短く構成されている。したがって、本実施形態に係る光電気変換モジュール２００によれば、複数の光信号の入出力を可能とし、かつ、上述の第１実施形態と同様に受光ユニット４Ｂからノイズの小さい出力信号を得ることができる。

＜第３実施形態＞
上述の第１実施形態及び第２実施形態においては、トランスインピーダンスアンプ６，６Ｂはフェルール２の端面２ｂに設けられていたが、フェルール２の端面２ｂ以外の場所にも設けることができる。図５は本発明の第３実施形態に係る光電気変換モジュール用部品１Ｃを用いた光電気変換モジュール３００の斜視図である。光電気変換モジュール３００は光電気変換モジュール２００の変形例であり、同様の部材については同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。

光電気変換モジュール３００において、発光ユニット３Ｃと受光ユニット４Ｃはフェルール２の端面２ｂに設けられ、トランスインピーダンスアンプ６Ｃはフェルール２の上面２ｃのうち受光ユニット４Ｃに近い位置に取り付けられている。受光ユニット４Ｃとトランスインピーダンスアンプ６Ｃとは、フェルール２の端面２ｂから上面２ｃにかけて形成されたリード８Ｃａによって接続され、更にリード８Ｃａはワイヤ８Ｃｂによって出力端子１２に接続されている。

光電気変換モジュール３００によっても、トランスインピーダンスアンプ６Ｃを取付基板１０に設ける場合と比べて、受光ユニット４Ｃから流れる微弱電流の流れる出力経路（リード８Ｃａ）を短くすることができ、上述と同様に受光ユニット４Ｃからノイズの小さい出力信号を得ることができる。

なお、光電気変換モジュール３００は、フェルール２の端面２ｂの面積を大きくとれず、高さ方向（図５の上下方向）の寸法を大きく取れないときに特に有効である。

＜第４実施形態＞
図６は第４実施形態に係る光電気変換モジュール用部品１Ｄを用いた光電気変換モジュール４００の斜視図である。光電気変換モジュール４００は、上記の実施形態よりも更に多数の光ファイバ９ａ，９ｂを一つのフェルール２に収容したものである。光電気変換モジュール４００は、光電気変換モジュール２００の変形例であり、同様の部材については同一の参照符号を付してその詳細な説明は省略する。

光電気変換モジュール４００は、発光ユニット３Ｄに接続される入力用の光ファイバ９ａが下層に、受光ユニット４Ｄに接続される出力用の光ファイバ９ｂが上層にまとめて配列される。なお、複数の入力用の光ファイバ９ａの配列面及び出力用の光ファイバ９ｂの配列面はそれぞれフェルール２の上面２ｃと平行である。

これら光ファイバ９ａ，９ｂに対応するように、発光ユニット３Ｄはフェルール２の端面２ｂの下側（取付基板１０側）、受光ユニット４Ｄはフェルール２の端面２ｂの上側に設けられ、トランスインピーダンスアンプ６Ｄはフェルール２の上面２ｃに設けられる。

発光ユニット３Ｄからは取付基板１０側にリード７Ｄａが延びて、取付基板１０上に配線されたリード７Ｄｂを介してドライバＩＣ５と接続されている。
一方、受光ユニット４Ｄから延出するリード８Ｄａはフェルール２の上面２ｃに跨るように形成され、フェルール２の端面２ｂに設けられる受光ユニット４Ｄとフェルール２の上面２ｃに設けられるトランスインピーダンスアンプ６Ｄとを接続する。

このように本実施形態においても、トランスインピーダンスアンプ６Ｄを取付基板１０に設ける場合と比べて受光ユニット４Ｄとトランスインピーダンスアンプ６Ｄとを接続するリード８Ｄａを短くすることができ、また、トランスインピーダンスアンプ６Ｄは受光ユニット４Ｄに対して発光ユニット３Ｄの反対側に設けられるので、受光ユニット４Ｄからノイズの小さい出力信号を得ることができる。

以上、本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。

１００，２００，３００，４００ 光電気変換モジュール
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ 光電気変換モジュール用部品
２ フェルール（光ファイバ位置決め部品）
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ 発光素子（発光ユニット）
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ 受光素子（受光ユニット）
６，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ トランスインピーダンスアンプ
９，９ａ，９ｂ 光ファイバ

Claims (4)

1. 光ファイバが挿入固定される複数の貫通孔が開口する端面を有する光ファイバ位置決め部品と、
   前記端面に設けられた発光素子と、
   前記端面に設けられた受光素子と、
   前記端面に設けられ、前記発光素子及び前記受光素子にそれぞれ電気的に接続された複数のリードとを備えた光電気変換モジュール用部品であって、
   前記光ファイバ位置決め部品にトランスインピーダンスアンプが設けられていることを特徴とする光電気変換モジュール用部品。
2. 前記トランスインピーダンスアンプと前記受光素子は前記端面に搭載されており、
   前記トランスインピーダンスアンプは、前記受光素子及び前記リードとワイヤボンディングで接続されていることを特徴とする請求項１記載の光電気変換モジュール用部品。
3. 前記トランスインピーダンスアンプは、前記光ファイバ位置決め部品における複数の前記貫通孔の配列面と略平行に延在する面に設けられ、
   前記トランスインピーダンスアンプは前記受光素子とワイヤボンディングで接続されていることを特徴とする請求項１記載の光電気変換モジュール用部品。
4. 取付基板と、
   前記取付基板に取り付けられた請求項１から３のいずれか一項に記載の光電気変換モジュール用部品と、
   前記光電気変換モジュール用部品に挿入固定された光ファイバと、
   前記取付基板に設けられて前記発光素子を駆動する駆動ユニットとを有する光電気変換モジュール。

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