JP2015219267A

JP2015219267A - 光伝送モジュール

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Publication number: JP2015219267A
Application number: JP2014100421A
Authority: JP
Inventors: 長田　孝之; Takayuki Osada; 孝之長田
Original assignee: Hosiden Corp
Current assignee: Hosiden Corp
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2015-12-07
Anticipated expiration: 2034-05-14
Also published as: CN105093435B; EP2944991A1; JP6278826B2; US20150333832A1; CN105093435A; US9712245B2; EP2944991B1

Abstract

【課題】光ファイバと投光素子及び／又は受光素子との結合効率が高く、安価で小型の光伝送モジュールを提供する。
【解決手段】光伝送モジュールは、電気配線パターンが形成されたリードフレーム１１０と、リードフレーム１１０にインサート成形して形成された樹脂製のハウジング１５０とを有する基台１００と、リードフレーム１１０上に実装され、光電変換のための投光素子を含む電子部品を備えている。リードフレーム１１０には、接続される光ファイバの位置決めを行うスリット１１２と、投光素子からの光を反射させて光ファイバへ集光させる反射ミラー１１６とが形成されている。
【選択図】図１０

Description

本発明は、光伝送モジュールに関する。

光通信に用いられる光ファイバケーブルの末端部では、投光素子、受光素子と接続して光電変換するための光伝送モジュールが用いられている。近年、高速で大容量のデータを伝送できる光通信の利用が進んでおり、より安価で小型の光伝送モジュールの製造が望まれている。

従来、光ファイバを搭載するＶ溝や投光素子や受光素子等の電子部品を実装する基台としてシリコン・オプティカル・ベンチ（Silicon Optical Bench、以下ＳｉＯＢと称する）が用いられていた。ＳｉＯＢは放熱性に優れているため基台として一般に用いられているが高価であり、又、ＳｉＯＢに上記の電子部品を実装するには、実装前に、ＳｉＯＢの表面を酸化させて金属膜を形成した後にエッチングをして配線パターンを形成する必要があるため、大きな工数を要していた。これらの理由により、ＳｉＯＢを用いた光伝送モジュールは高価なものとなっていた。

そこで、ＳｉＯＢの代わりに、樹脂基板上に金属の配線パターンを形成して電子部品を実装した光伝送モジュール（特許文献１参照）や、金属のリードフレームをインサート成形して樹脂構造体を形成し露出しているリードフレームに電子部品を実装した光伝送モジュール（特許文献２参照）が提案されている。これらの光伝送モジュールはＳｉＯＢを用いていないので、ＳｉＯＢを用いた光伝送モジュールより安価に製造することができる。

特開２０１３−１５２４２７号公報特開２０１３−２２５０１１号公報

特許文献１の光伝送モジュールにおいては、ＳｉＯＢを用いていないが、配線パターンや光を反射させる反射面を形成するために、樹脂基板上に複数の金属層を形成した後エッチングにより不要な金属層を除去する等の工程が必要となる。そのため、工数が増え、光伝送モジュールのコストアップにつながるおそれがあった。また、光ファイバを実装する収容部や反射面となる傾斜面をレーザ光の照射により形成しているため更に多くの工数が必要となり、この点からも安価に光伝送モジュールを提供することは困難であった。

特許文献２の光伝送モジュールにおいては、金属のリードフレームを用いているものの、それは面発光素子と面受光素子を実装する箇所のみであり、面発光素子と面受光素子以外の電子部品（例えば、ドライバＩＣ）は別基板に実装されている。そして、その基板と樹脂構造体とが接着等の方法により接合されて光伝送モジュールが構成されている。従って、接合のための工数が必要になりコストアップにつながると共に、光伝送モジュール全体が大型化するおそれがあった。

また、特許文献２の光伝送モジュールにおいては、光ファイバを実装するＶ溝と光を反射させる反射面が樹脂構造体に成形により形成されているので、それらの位置精度が低くなり、光ファイバと面発光素子及び面受光素子との結合効率が低下するおそれがあった。

このように、光伝送モジュールの構造には更なる改善の余地があった。

上記問題に鑑み、本発明は、光ファイバと投光素子及び／又は受光素子との結合効率が高く、安価で小型の光伝送モジュールを提供することを課題とする。

本発明に係る光伝送モジュールの好適な実施形態の一つにおいては、電気配線パターンが形成されたリードフレームと、前記リードフレームにインサート成形して形成された樹脂製のハウジングと、前記リードフレーム上の一方の面に実装され、光電変換のための投光素子及び／又は受光素子を含む電子部品とを備え、前記リードフレームに、前記投光素子及び／又は前記受光素子と結合する光ファイバの位置決めを行うスリットと、前記投光素子からの光を前記光ファイバへ反射させると共に前記光ファイバからの光を前記受光素子へ反射させる反射ミラーとが形成されている。

このような実施形態であれば、従来用いられていたＳｉＯＢの代わりにリードフレームを用いたので、光伝送モジュールを安価に製造することができる。また、リードフレームに、光ファイバを位置決めするスリットと光信号を反射させる反射ミラーとを形成したので、樹脂に形成する場合と比較してスリットと反射ミラーの位置精度が高くなり、又、光ファイバの位置決めや反射ミラーの形成のために別途部品を用いる必要がない。更に、電子部品をリードフレーム上に直接実装したので、別途配線を行う必要がない。これらより、光ファイバと投光素子及び／又は受光素子との結合効率が高く、安価且つ小型の光伝送モジュールを製造することができる。

また、本発明に係る光伝送モジュールの他の好適な実施形態の一つにおいては、前記リードフレームの他方の面に、電気信号の入出力のためのコンタクトが設けられている。

このような実施形態であれば、別部材でコンタクトを形成したり、別途の配線をする必要がないので、光伝送モジュールを安価に且つ小型に製造することができる。

また、本発明に係る光伝送モジュールの他の好適な実施形態の一つにおいては、前記リードフレームはプレス加工により形成され、前記反射ミラーは、前記プレス加工のときに面打ち加工により形成される。

このような実施形態であれば、プレス加工でリードフレームを形成するので安価にリードフレームを製造することができ、又、このとき同時に反射ミラーを面打ち加工により形成するので、反射ミラーを精度高く形成することができると共に、反射ミラーを形成するためのレーザ光照射やダイシングといった別工程が不要となるため光伝送モジュールを安価に製造することができる。

また、本発明に係る光伝送モジュールの他の好適な実施形態の一つにおいては、前記リードフレームはプレス加工により形成され、前記反射ミラーは、前記プレス加工のときに曲げ加工により形成される。

このような実施形態であれば、プレス加工でリードフレームを形成するので安価にリードフレームを製造することができ、又、このとき同時に反射ミラーを曲げ加工により形成するので、リードフレームの板厚が薄いときにも反射ミラーを形成することができると共に、反射ミラーを形成するためのレーザ光照射やダイシングといった別工程が不要となるため光伝送モジュールを安価に製造することができる。

また、本発明に係る光伝送モジュールの他の好適な実施形態の一つにおいては、前記電子部品は、前記投光素子である面発光レーザ、前記受光素子であるフォトダイオード、前記面発光レーザを駆動させるドライバ、前記フォトダイオードの電流を電圧に変換して出力するトランスインピーダンスアンプを含む。

このような実施形態であれば、安価に光電変換の回路を構成することができる。

本実施形態に係る送信用光伝送モジュールに光ファイバが取り付けられた状態を表す表面から見た斜視図である。送信用光伝送モジュールに光ファイバが取り付けられた状態を表す裏面から見た斜視図である。送信用光伝送モジュールに光ファイバが取り付けられた状態を表す平面図である。図３のIV-IV線断面図である。図３のV-V線断面図である。図３のVI-VI線断面図である。キャリアの付いた状態で、プレス加工終了後のリードフレーム本体の構造を表す表面から見た斜視図である。図７の部分拡大図である。リードフレーム本体に対してインサート成形が終了した状態を表す（ａ）表面から見た斜視図、（ｂ）平面図である。基台を表す（ａ）表面から見た斜視図、（ｂ）平面図である。基台に対して電子部品を実装した状態を表す表面から見た斜視図である。電子部品にワイヤをボンディングした状態を表す表面から見た斜視図である。送信用光伝送モジュールを表す表面から見た斜視図である。本実施形態に係る受信用光伝送モジュールに光ファイバが取り付けられた状態を表す表面から見た斜視図である。

１．送信用光伝送モジュールの構造
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１〜図３に示すように、本実施形態に係る送信用光伝送モジュール１０は、基台１００と、基台１００に実装された電子部品２００と、カバー３００とを備えている。実使用時には、送信用光伝送モジュール１０には、更に光ファイバ４００が挿入、固定される。電子部品２００には、投光素子としての面発光レーザ（以下、ＶＣＳＥＬと称する）２１０、ＶＣＳＥＬ２１０を駆動するドライバ２３０と、２個のデカップリング用コンデンサ（以下、コンデンサと称する）２４０、２４０が含まれる。また、本実施形態においては光ファイバ４００が取り付けられた状態を表している。以後の説明において、上下左右前後は図１の表示に倣うものとする。すなわち、光ファイバ４００が取り付けられた側を前側、電子部品２００が実装された側を上側又は表面側とする。

基台１００は、銅合金のような電気伝導率の高い金属薄板からなるリードフレーム１１０と、リードフレーム１１０をインサート成形することにより形成された樹脂製のハウジング１５０を有する。図１、図２に示すように、リードフレーム１１０は送信用光伝送モジュール１０の長手方向（前後方向）に平行な両端がそれぞれ垂直に折り曲げられ、長手方向に垂直な断面が略Ｕ字状になっている。リードフレーム１１０は、このように両端を略Ｕ字状に折り曲げ、更にその周囲をハウジング１５０で覆うことにより、機械的強度を確保している。

ハウジング１５０は、リードフレーム１１０全体を覆うように形成されており、その樹脂は、リードフレーム１１０の隙間にも入り込んでいる。ハウジング１５０の一部は窪んで第１凹部１５１を形成している。第１凹部１５１においてはリードフレーム１１０が露出している。リードフレーム１１０の第１凹部１５１に露出した部分には電子部品２００がフリップチップボンディングにより実装されている。また、実装されたドライバ２３０とコンデンサ２４０の電極の一部はワイヤ２５０によるボンディングにより互いに相手方の電極又はリードフレーム１１０と接続されている。このようにして、リードフレーム１１０は、光電変換の電気回路を形成するための電気配線パターンとして機能する。

図３、図４に示すように、ハウジング１５０において第１凹部１５１より後方には表面から裏面に向けて貫通する第１孔１６１と第２孔１６２とが形成され、また、第１凹部１５１でリードフレーム１１０の露出している部分においてもリードフレーム１１０表面からハウジング１５０裏面に向けて貫通する第３孔１６３、第４孔１６４、第５孔１６５、第６孔１６６が形成されている。これらの詳細については後述する。

図２に示すように、基台１００の裏面側においても、樹脂が充填されておらずに窪んでいて、リードフレーム１１０の一部が露出している第２凹部１５２と第３凹部１５３とがある。第２凹部１５２においては、リードフレーム１１０を構成する第１リード１２１の一部が第１コンタクト１７１として、第２リード１２２の一部が第２コンタクト１７２としてそれぞれ機能する。第３凹部１５３においては、リードフレーム１１０を構成する第３リード１２３の一部が第３コンタクト１７３及び第６コンタクト１７６として、第４リード１２４の一部が第４コンタクト１７４として、第５リード１２５の一部が第５コンタクト１７５として、それぞれ機能する。これら第１コンタクト１７１〜第６コンタクト１７６は、送信用光伝送モジュール１０が嵌合される不図示のコネクタを構成するバネコンタクトと電気的に接続される。なお、第１コンタクト１７１〜第６コンタクト１７６はコンタクトの一例である。

図３〜図５に示すように、第１凹部１５１のリードフレーム１１０にはスリット１１２が形成されており、ハウジング１５０により一面が埋められ溝状になっている。ハウジング１５０はスリット１１２の端部から更に外方に延出した半円柱状の案内部分１５４を有する。案内部分１５４の中心はリードフレーム１１０の表面と面一になるように形成されており、内側には、スリット１１２の端部から外方に向けて拡がる半円錐状のテーパ部を有する。

第１凹部１５１の内側には、アクリル等の透明な樹脂からなるカバー３００が、スリット１１２とＶＣＳＥＬ２１０を含んで第１凹部１５１の左右の幅方向全体を覆った状態でＵＶ硬化性接着剤等により固定されている。図４に示すように、カバー３００のうちＶＣＳＥＬ２１０が実装されている箇所を覆う部分は、リードフレーム１１０から離間してＶＣＳＥＬ２１０と接触しないようになっており、当該部分はハウジング１５０から第１凹部１５１に向けて突出した２箇所の凸部１５５に支持されている。また、上方から見たときのカバー３００の中央近傍には、リードフレーム１１０まで貫通する貫通孔３０２が形成されている。更に、カバー３００はハウジング１５０の端面から更に外方に延出した半円柱状の案内部分３０４を有する。案内部分３０４の中心はリードフレーム１１０の表面と面一になるように形成されており、案内部分３０４の内側には、スリット１１２の端部から外方に向けて拡がる半円錐状のテーパ部を有する。案内部分３０４は、ハウジング１５０の案内部分１５４に当接してそれぞれのテーパ部が一体となることにより、光ファイバ４００を案内する円錐状の案内開口３０６が形成される。

案内開口３０６から連続して、カバー３００とスリット１１２とハウジング１５０とにより、光ファイバ４００が挿入されて位置決めされる案内穴１１４が形成されている。案内開口３０６の最外径は案内穴１１４の内寸よりも相当大きいので、光ファイバ４００は案内開口３０６から案内穴１１４に確実に挿入される。挿入された光ファイバ４００はＵＶ硬化性接着剤等により案内穴１１４に対して固着される。

図４に示すように、光ファイバ４００の端部は送信用光伝送モジュール１０内において、リードフレーム１１０に形成された反射ミラー１１６と対向している。反射ミラー１１６の鉛直上方にはＶＣＳＥＬ２１０が配置されている。図６に示すように、反射ミラー１１６は、光ファイバ４００の挿入方向に対して４５度傾斜している。これにより、ＶＣＳＥＬ２１０から出射した光を反射ミラー１１６で反射させて光ファイバ４００のコア４０２に入射させることができる。

本実施形態においては、反射ミラー１１６は４５度に傾斜した平坦な面を有しているが、これだけに限られるものではない。反射ミラー１１６が、その中央部を窪ませて凹面を形成することにより、光を反射させると同時に集光させる機能を有していてもよい。

次に送信用光伝送モジュール１０の動作について説明する。送信用光伝送モジュール１０の外部から送られてきた電気信号は第１コンタクト１７１〜第６コンタクト１７６の少なくともいずれか１つを介して送信用光伝送モジュール１０に入力される。入力された該電気信号はＶＣＳＥＬ２１０で光信号に変換されて出射され、反射ミラー１１６で反射された後、光ファイバ４００のコア４０２の内部を伝搬して外部に送信される。

２．送信用光伝送モジュールの組立方法
次に、送信用光伝送モジュール１０の組立方法について、図面を用いて詳細に説明する。図７に示すように、リードフレーム１１０は、順送プレス金型により、長尺状の金属薄板の両端にパイロット孔１８２付きのキャリア１８０を形成した状態で加工される。図７では、リードフレーム１１０は両側のキャリア１８０から内側に向けて形成された４本の腕部１８４で保持され、ハウジング１５０のインサート成形のために２個単位で切断された状態を表している。

図８に示すように、リードフレーム１１０は、リードフレーム本体１２０に対して不図示の順送プレス金型によりプレス加工を行うことにより形成されている。リードフレーム本体１２０に対して抜き加工を行うことにより、第１リード１２１〜第５リード１２５、ＶＣＳＥＬ２１０が実装される第６リード１２６、及び、スリット１１２が形成される。

第１リード１２１、第２リード１２２、第４リード１２４〜第６リード１２６は、最終的にはリードフレーム本体１２０から電気的に絶縁された状態になるが、インサート成形前であるこの時点では、第１リード１２１、第２リード１２２、第４リード１２４〜第６リード１２６は部分的にリードフレーム本体１２０と繋がった状態にある。具体的には、第１リード１２１及び第２リード１２２は、それぞれ一方の端部が第１保持部１３１、第２保持部１３２によりリードフレーム本体１２０の他の部分と繋がった状態で保持されており、他方の端部が第３保持部１３３により、第４リード１２４、第５リード１２５の中央部分と繋がった状態で保持されている。第４リード１２４、第５リード１２５の両端部はそれぞれ第４保持部１３４、第５保持部１３５によりリードフレーム１１０の他の部分と繋がった状態で保持されている。第６リード１２６は一方の端部が第６保持部１３６によりリードフレーム本体１２０と繋がった状態で保持されている。

第６リード１２６の第６保持部１３６と反対側の端部には、不図示のパンチによる面打ちで反射ミラー１１６が形成されている。反射ミラー１１６はスリット１１２と対向している。本実施形態においては、反射ミラー１１６は面打ちにより形成されているが、曲げ加工により形成されてもよい。

図８に示すように、リードフレーム本体１２０の長手方向に沿う両端は、第１リード１２１、第２リード１２２を構成する箇所を除いて、それぞれ垂直に折り曲げられており、リードフレーム本体１２０の長手方向に垂直な断面は略Ｕ字状になっている。

次に、図７のようなキャリア１８０と繋がった状態でリードフレーム本体１２０は射出成形金型内に載置され、インサート成形によりハウジング１５０が形成される。図９（ａ）、（ｂ）に示すように、このインサート成形により、第１凹部１５１、第２凹部１５２、第３凹部１５３、第１孔１６１、第２孔１６２は形成されるが、第３孔１６３〜第６孔１６６は未だ形成されていない。また、第１リード１２１、第２リード１２２、第４リード１２４〜第６リード１２６は、いずれもリードフレーム本体１２０の他の部分と繋がった状態のままである。

次に、ハウジング１５０に覆われたリードフレーム１１０は、図９（ａ）、（ｂ）に示すようにキャリア１８０と繋がった状態で不図示の単発プレス金型に載置される。そして、金型のパンチにより、第１保持部１３１〜第６保持部１３６を抜き落とす。これにより、第３孔１６３〜第６孔１６６が形成されると共に、第１リード１２１、第２リード１２２、第４リード１２４〜第６リード１２６がリードフレーム本体１２０と電気的に絶縁された状態になる。これにより、リードフレーム１１０が完成する。このとき同時にリードフレーム本体１２０と腕部１８４との間が切断され、基台１００はキャリア１８０から切り離される。これにより、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、基台１００が完成する。第１リード１２１、第２リード１２２、第４リード１２４〜第６リード１２６は、第１保持部１３１〜第６保持部１３６がなくても、他の箇所がハウジング１５０により固定されているので、動いたり、脱落したりすることはない。

次に、図１１に示すように、ＶＣＳＥＬ２１０、ドライバ２３０、コンデンサ２４０、２４０をフリップチップボンディングにより、リードフレーム１１０に実装する。次に、図１２に示すように、ドライバ２３０とコンデンサ２４０、２４０の表面側の電極の一部をワイヤ２５０によるボンディングにより互いに相手方の電極又はリードフレーム１１０に接続する。次いで、図１３に示すように、カバー３００を第１凹部１５１内のスリット１１２を覆うようにＵＶ硬化性接着剤等により固定する。これにより、送信用光伝送モジュール１０が完成した。実使用時には、図１に示すように、更に光ファイバ４００を案内穴１１４に挿入し、ＵＶ硬化性接着剤等により固定する。

このように、本実施形態に係る送信用光伝送モジュール１０においては、ＳｉＯＢの代わりにリードフレーム１１０を用いたので、送信用光伝送モジュール１０を安価に製造することができる。また、プレス加工により、光ファイバ４００を位置決めするスリット１１２と光信号を反射させる反射ミラー１１６とを含むリードフレーム１１０を形成したので、樹脂に形成する場合と比較してスリット１１２と反射ミラー１１６の位置精度が高くなる。また、光ファイバ４００の位置決めや反射ミラー１１６の形成のために別途部品を用いる必要がない。更に、電子部品２００をリードフレーム１１０上に直接実装したので、別途配線を行う必要がない。これらより、光ファイバ４００とＶＣＳＥＬ２１０の結合効率が高く、安価且つ小型の送信用光伝送モジュール１０を製造することができる。また、外部と電気信号の入出力を行う第１コンタクト１７１〜第６コンタクト１７６をリードフレーム１１０で形成したので、別部材で第１コンタクト１７１〜第６コンタクト１７６を形成したり、別途の配線をする必要がなく、送信用光伝送モジュール１０を更に安価に製造することができる。また、反射ミラー１１６の角度を４５度にしたことによりリードフレーム１１０への面打ち又は曲げ加工による形成が可能となったので、反射ミラー１１６を形成するためのレーザ光照射やダイシングといった別工程が不要となり、更に送信用光伝送モジュール１０を安価に製造することができる。

本実施形態に係る送信用光伝送モジュール１０においては、リードフレーム１１０の両端を略Ｕ字状に折り曲げた状態でインサート成形を行ってハウジング１５０を形成することにより基台１００が構成されているので、製品として必要十分な機械的強度を確保することができる。

３．受信用光伝送モジュールの構造
次に、本発明に係る受信用光伝送モジュール２０の構造について、図面を用いて説明する。図１４に示すように、受信用光伝送モジュール２０の構造は、送信用光伝送モジュール１０の構造とほぼ同じである。受信用光伝送モジュール２０においては、ＶＣＳＥＬ２１０の代わりに受光素子としてのフォトダイオード（以下、ＰＤと称する）２２０が実装され、ドライバ２３０の代わりにＰＤ２２０の電流を電圧に変換して出力するトランスインピーダンスアンプ２６０が実装されている。それ以外の構造は送信用光伝送モジュール１０の構造と同じである。受信用光伝送モジュール２０の組立方法についても、上述した送信用光伝送モジュール１０の組立方法と同じである。

受信用光伝送モジュール２０においては、光ファイバ４００のコア４０２を伝搬して出射した外部からの光信号を反射ミラー１１６で反射させてＰＤ２２０の受光面に入射させる。入射した光信号はＰＤ２２０で電気信号に変換される。変換された該電気信号はトランスインピーダンスアンプ２６０で増幅され、第１コンタクト１７１〜第６コンタクト１７６の少なくともいずれか１つを介して受信用光伝送モジュール２０の外部に出力される。

上記の実施形態の説明においては、送信用光伝送モジュール１０と受信用光伝送モジュール２０のような単方向通信に用いる光電素モジュールについて説明したがこれに限られるものではない。ＶＣＳＥＬ２１０とＰＤ２２０が一つのパッケージに封入され、ドライバ２３０とトランスインピーダンスアンプ２６０が一つのパッケージに封入された部品を用いて双方向通信用の光伝送モジュールを構成することも当然ながら可能である。

本発明は、光伝送モジュールに利用することが可能である。

１００基台
１１０リードフレーム
１１２スリット
１１６反射ミラー
１５０ハウジング
１７１〜１７６第１コンタクト〜第６コンタクト（コンタクト）
２００電子部品
２１０面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ、投光素子）
２２０フォトダイオード（ＰＤ、受光素子）
２３０ドライバ
２６０トランスインピーダンスアンプ

Claims

電気配線パターンが形成されたリードフレームと、
前記リードフレームにインサート成形して形成された樹脂製のハウジングと、
前記リードフレーム上の一方の面に実装され、光電変換のための投光素子及び／又は受光素子を含む電子部品とを備え、
前記リードフレームに、前記投光素子及び／又は前記受光素子と結合する光ファイバの位置決めを行うスリットと、前記投光素子からの光を前記光ファイバへ反射させると共に前記光ファイバからの光を前記受光素子へ反射させる反射ミラーとが形成された光伝送モジュール。
前記リードフレームの他方の面に、電気信号の入出力のためのコンタクトが設けられている請求項１に記載の光伝送モジュール。
前記リードフレームはプレス加工により形成され、前記反射ミラーは、前記プレス加工のときに面打ち加工により形成される請求項１又は２に記載の光伝送モジュール。
前記リードフレームはプレス加工により形成され、前記反射ミラーは、前記プレス加工のときに曲げ加工により形成される請求項１又は２に記載の光伝送モジュール。
前記電子部品は、前記投光素子である面発光レーザ、前記受光素子であるフォトダイオード、前記面発光レーザを駆動させるドライバ、前記フォトダイオードの電流を電圧に変換して出力するトランスインピーダンスアンプを含む請求項１〜４のいずれか一項に記載の光伝送モジュール。