JP2017062342A - 光モジュール及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】製造工程を削減できる光モジュールを提供する。
【解決手段】電気信号と光信号との変換を行う光トランシーバのプリント基板において、光ファイバと、プリント基板に実装又は形成される光電変換素子との間に設置される光モジュール１００であって、入射用レンズ２１０、２５０と、出射用レンズ２２０、２４０と、入射用レンズ２１０、２５０と出射用レンズ２２０、２４０との間の光路上に傾斜面により形成されるミラー１２０とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は光モジュール及びその製造方法に関する。
高速、大容量の通信網や通信制御機器等の発達により、光ファイバによる通信・情報伝送が普及している。一般に、光ファイバと各機器との接続部には電気信号と光信号とを双方向に変換可能な光トランシーバが用いられる。光トランシーバは、光ファイバと光電変換素子との間で光導波路を形成する光モジュールを有している。
特開２００９−２０４２６号公報 特開２００６−３０９１１３号公報
"Multimode Micro Lens Array"、［online］、［平成27年9月18日検索］、インターネット（URL:https://echannel.omron247.com/marcom/pdfcatal.nsf/26d51fcb808d916986256f7e00791221/43f35572df44877886256fb300587440/$FILE/D39P1L0205.pdf）
しかしながら、従来の光モジュールは部品点数が多く、製造に際して多数の工程を経る必要があり、工数がかかるという問題があった。例えば、上記特許文献１及び２の場合、光導波路を形成する溝に、光ファイバのコアの材料を充填する工程や、コアの材料を充填した溝の上からオーバークラッドフィルムを貼り付ける工程等が必要であった。更には、貼り付けたオーバークラッドフィルムをＵＶ（Ultraviolet）硬化させる工程等が必要であった。
このようなことから、光トランシーバに用いられる光モジュールにおいては、部品点数を減らし、製造工程の簡素化を実現することが求められている。
本発明の１つの側面では、光モジュールの製造工程を削減する。
本発明の実施形態に係る光モジュールは、以下のような構成を有する。すなわち、
電気信号と光信号との変換を行う光トランシーバのプリント基板において、光ファイバと、前記プリント基板に実装又は形成される光電変換素子との間に設置される光モジュールであって、
入射用のレンズと
出射用のレンズと、
前記入射用のレンズと前記出射用のレンズとの間の光路上に傾斜面により形成されるミラーとを有することを特徴とする。
本発明の各実施形態によれば、光モジュールの製造工程を削減することが可能になり、また光損失も低減できる。
光モジュールの斜視図である。 光モジュールの内部構造を示す図である。 光モジュールの入射用レンズと出射用レンズの配置を示す図である。 光モジュールのミラーの角度と光信号の光路を示す図である。 ＭＴフェルール用の固定穴の配置を示す図である。 光モジュールをプリント基板に設置し、ＭＴフェルールを接続した様子を示す図である。 プリント基板における光モジュールの設置位置を示す図である。 光モジュールにＭＴフェルールを接続した様子を示す図である。 光モジュールの製造工程を示す図である。 光信号の信号損失を説明する図である。
以下、本発明の各実施形態の詳細について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。なお、各図面中、ｘ軸は光モジュールの長手方向を、ｙ軸は光モジュールの幅方向を、ｚ軸は光モジュールの高さ方向をそれぞれ示すものとする。
［第１の実施形態］
＜１．光モジュールの構成＞
図１は、本発明の第１の実施形態による光モジュール１００の斜視図である。光モジュール１００は、コア材料としての機能を有するオレフィン系の樹脂で構成される。本実施形態において光モジュール１００を構成するオレフィン系の樹脂は、屈折率＞１．５、透過率＞９２％（少なくとも９０パーセント以上）の特性を有する。
図１（ａ）に示すように、光モジュール１００にはＭＴ（Mechanical Transfer）フェルール１４０の一部を内包する空間が設けられている。不図示の光ファイバと接続されたＭＴフェルール１４０は、挿入口１１０を介して空間に挿入されることで、光モジュール１００と接続される。
また、光モジュール１００にはミラー１２０が設けられている。ミラー１２０は、光モジュール１００の傾斜面に形成され、傾斜面に蒸着材料を付着させる処理（蒸着処理）が施されている。
図１（ｂ）に示すように、挿入口１１０の内部には、当接面１１１が設けられている。当接面１１１には、ＭＴフェルール１４０を挿入口１１０に挿入した際に、ＭＴフェルール１４０の先端面１４２が当接する。
また、当接面１１１には、固定穴１１３が設けられている。固定穴１１３には、ＭＴフェルール１４０の先端面１４２に設けられた突起部１４３が嵌合される。なお、固定穴１１３は、突起部１４３の位置、大きさ、数に対応するように、当接面１１１に設けられる。図１のＭＴフェルール１４０の場合には突起部１４３が２つであるため、固定穴１１３は当接面１１１に２つ設けられている。
更に、当接面１１１には凹部１１２が設けられている。凹部１１２は、当接面１１１の一部がｘ軸方向（マイナス方向）に凹んだ形状を有している。凹部１１２には、レンズ群１３０が設けられている。レンズ群１３０を構成するレンズには、入射用レンズと出射用レンズとが含まれる。
レンズ群１３０の入射用レンズは、ＭＴフェルール１４０の光ファイバより出射された光信号を平行光にする非球面レンズである。これにより、光ファイバ内を伝送された光信号は、平行光として光モジュール１００内部を進む。なお、非球面レンズを用いた場合、光信号の損失を小さくできるといった利点がある。
一方、レンズ群１３０の出射用レンズは、光モジュール１００内部を伝送された光信号を光ファイバに入射するために光信号を集光する非球面レンズである。
なお、ＭＴフェルール１４０の先端面１４２には、光信号を入出力するための開口穴群１４４が設けられている。光ファイバ内を伝送された光信号は、開口穴群１４４の開口穴より出射され、光モジュール１００の入射用レンズに入射される。また、光モジュール１００の出射用レンズより出射された光信号は、開口穴群１４４の開口穴より光ファイバに入射する。
＜２．光モジュールの内部構造＞
次に、光モジュール１００の構造について説明する。図２は、光モジュール１００の内部構造を示す図である。
図２（ａ）は、光モジュール１００をｘ軸方向から見た背面図である。図２（ａ）に示すように、レンズ群１３０は、ｙ軸方向に４つずつ配置されたレンズ２１０とレンズ２２０とを含む。光モジュール１００では、４チャンネル分の光信号を伝送することができる。本実施形態において、レンズ２１０は入射用レンズとして機能する（以下、入射用レンズと称す）。また、レンズ２２０は出射用レンズとして機能する（以下、出射用レンズと称す）。
固定穴１１３は、当接面１１１のレンズ群１３０の両側の位置に、ｘ軸方向（マイナス方向）に設けられている。ＭＴフェルール１４０の突起部１４３を固定穴に嵌合することで、挿入口１１０に挿入されたＭＴフェルール１４０が光モジュール１００に固定される。
また、図２（ａ）に示すように、光モジュール１００には脚部２３０〜２３２が設けられている。脚部２３０〜２３２は、光モジュール１００をプリント基板に設置する際にプリント基板と接触する部位であり、プリント基板に設置された光モジュール１００を支持する。
図２（ｂ）は、光モジュール１００を図２（ａ）のＡ−Ａ断面で切断した断面図であり、図２（ｃ）は、光モジュール１００を底面２７０側から見た図である。図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、レンズ群２６０は光モジュール１００の底面２７０に設けられている。
図２（ｃ）に示すように、底面２７０の外周には周縁部２８０が設けられている。脚部２３０〜２３２は周縁部２８０に設けられている。
また、図２（ｃ）に示すように、底面２７０に設けられたレンズ群２６０は、ｙ軸方向に４つずつ配置されたレンズ２４０とレンズ２５０とを有する。本実施形態において４つのレンズ２４０は非球面レンズであり、光モジュール１００の内部を伝送された光信号を集光して出射する出射用レンズとして機能する（以下、出射用レンズと称す）。出射用レンズ２４０より出射された光信号は、プリント基板に設けられた不図示の光電変換素子（電気信号と光信号との変換を行う素子）である光検出器に入射する。また、４つのレンズ２５０は非球面レンズであり、不図示のプリント基板に実装された光電変換素子であるＶＣＳＥＬより出射された光信号を平行光にして光モジュール１００に入射する入射用レンズとして機能する（以下、入射用レンズと称す）。なお、ＶＣＳＥＬとは、Vertical Cavity Surface Emitting LASERの略称である。入射用レンズ２５０により入射した光信号は平行光として光モジュール１００内部を進む。
＜３．入射用レンズと出射用レンズの位置関係＞
次に入射用レンズと出射用レンズの位置関係について説明する。図３は、光モジュール１００の入射用レンズ２１０と出射用レンズ２４０の配置及び入射用レンズ２５０と出射用レンズ２２０の配置を示す図である。
図３（ａ）は、図２（ａ）と同じく光モジュール１００の側面断面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ−Ｂ断面で光モジュール１００を切断し、底面２７０側から見た図である。図３（ｃ）は、図３（ｂ）の入射用レンズ２１０、２５０、出射用レンズ２２０、２４０が設けられた領域３００を拡大して示した図である。
図３（ｃ）に示すように、入射用レンズ２１０を構成する個々のレンズ２１１と出射用レンズ２４０を構成する個々のレンズ２４１とは対応している。
＜４．ミラーの角度及び光路の説明＞
次に、光モジュール１００のミラー１２０及び光モジュール１００内部を光信号が進む光路について説明する。図４は、光モジュール１００のミラー１２０と光路を示す図である。
図４（ａ）において、平面４０１は脚部２３０〜２３２により形成される平面である。また、傾斜面４０２はミラー１２０が形成される面（及びそれと平行な平面）である。図４（ａ）に示すように、平面４０１と傾斜面４０２とがなす角度は４５度である。また、底面２７０と平面４０１とは平行であり、凹部底面４１０と平面４０１とは直交する。
図４（ｂ）に示すように、入射用レンズ２５０の真下で平面４０１と直交する方向に出射された光信号４２１は、底面２７０、つまり平面４０１に直交する方向に光モジュール内を進み、ミラー１２０で反射する。
ミラー１２０が形成される傾斜面４０２は、平面４０１に対して４５度の角度をなしているため、ミラー１２０で反射した光信号４２２は、平面４０１と平行な方向に進む。光信号４２２の光線の中心と、出射用レンズ２２０の中心軸とは一致しており、ミラー１２０で反射した光信号４２２は、出射用レンズ２２０より出射される。
同様に、図４（ｃ）に示すように、ＭＴフェルール１４０（図４には不図示）より凹部底面４１０に直交する方向に出射された光信号４３１は、入射用レンズ２１０を介して平面４０１と平行な方向に光モジュール内を進み、ミラー１２０で反射する。
ミラー１２０で反射した光信号４３２は、底面２７０、つまり、平面４０１に直交する方向に進む。ミラー１２０で反射した光信号４３２は、出射用レンズ２４０より出射される。
このように、ミラー１２０は入射用レンズ２１０と出射用レンズ２４０との間の光路上及び、入射用レンズ２５０と出射用レンズ２２０との間の光路上に形成される。
＜５．ＭＴフェルールの固定方法＞
次に、光モジュール１００におけるＭＴフェルール１４０の固定方法について説明する。図５は、ＭＴフェルール１４０を光モジュール１００に固定する方法について説明する図である。
図５（ａ）は光モジュールの側面断面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のＣ−Ｃ断面で光モジュール１００を切断し、底面２７０側から見た図である。
図５（ｂ）に示すように、固定穴１１３は凹部１１２の外側において、当接面１１１に直交する方向で、かつ平面４０１と平行に設けられている。
＜６．光トランシーバの説明＞
次に、ＭＴフェルール１４０が接続される光モジュール１００をプリント基板に配置して形成される光トランシーバについて説明する。図６は、光トランシーバを説明する図である。
図６（ａ）に示すように、プリント基板６００には、光検出器６１１とＶＣＳＥＬ６１２とが実装されている。光検出器６１１は、プリント基板６００の平面６０１に対して直交する方向に入射する光信号を検出する。
光モジュール１００は、光検出器６１１の真上に出射用レンズ２４０を配置し、かつ、ＶＣＳＥＬ６１２の真上に入射用レンズ２５０を配置するように位置合わせしたうえで、プリント基板６００上に設置される。
図６（ｂ）は、光モジュール１００を位置合わせしてプリント基板６００に設置し、ＭＴフェルール１４０を接続して光トランシーバ６２０を形成した様子を示している。
図７は、光検出器６１１と出射用レンズ２４０との位置関係、及び、ＶＣＳＥＬ６１２と入射用レンズ２５０との位置関係を示す図である。図７（ａ）は光モジュールの側面断面図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＤ−Ｄ断面で光モジュール１００を切断し、底面２７０側から見た図である。図７（ｃ）は、プリント基板６００に設置された光モジュール１００をｘ軸方向から見た背面図である。
図７（ｂ）に示すように、光モジュール１００のｘ軸方向及びｙ軸方向の位置合わせをすることで、底面２７０側から見ると、ＶＣＳＥＬ６１２の位置と入射用レンズ２５０の位置とが重なる。同様に、光検出器６１１の位置と出射用レンズ２４０の位置とが重なる。
なお、ＶＣＳＥＬ６１２及び光検出器６１１が光モジュールの底面２７０とプリント基板６００との間に収まるように脚部２３０〜２３２の高さが規定されている。
＜７．光モジュールとＭＴフェルールとの位置関係＞
次に、光モジュール１００とＭＴフェルール１４０との位置関係について説明する。図８は、光モジュール１００とＭＴフェルール１４０との位置関係を示す図である。図８（ａ）は、光モジュール１００にＭＴフェルール１４０が接続された状態の光モジュールの側面断面図である。図８（ｂ）は、図８（ａ）のＢ−Ｂ断面で光モジュール１００を切断し、底面２７０から見た図である。図８（ｃ）は、ＭＴフェルール１４０を接続した状態の光モジュールで、固定穴１１３に突起部１４３が嵌合した様子を示している。
図８（ｂ）に示すように、ＭＴフェルール１４０の先端面１４２は、光モジュール１００の挿入口１１０内部の当接面１１１と接触する。当接面１１１には凹部１１２が設けられており、レンズ群１３０は凹部底面４１０に配置されている。このため、レンズ群１３０とＭＴフェルール１４０の先端面１４２との間には隙間があり、光モジュールにＭＴフェルール１４０を接続した状態でも、先端面１４２とレンズ群１３０とが直接接触することはない。
ＭＴフェルール１４０の先端面１４２に設けられた突起部１４３は、ＭＴフェルール１４０を光モジュール１００に接続した際に、固定穴１１３に嵌合される。固定穴１１３に突起部１４３を嵌合することで、ＭＴフェルール１４０が光モジュール１００に固定される。
＜８．製造工程の説明＞
次に、光モジュール１００の製造工程について説明する。図９は、光モジュール１００の製造工程を説明する図である。図９（ａ）は本実施形態による光モジュールの製造工程を示す図であり、図９（ｂ）は比較例による光モジュールの製造工程を示す図である。
本実施形態による光モジュール１００は射出成形により形成され（Ｓ９０１）、少なくとも、
ｉ）脚部２３０〜２３２
ｉｉ）傾斜面４０２
ｉｉｉ）入射用レンズ２５０、出射用レンズ２４０
ｉｖ）入射用レンズ２１０、出射用レンズ２２０
が一体部品として形成される。
更に、傾斜面４０２に蒸着処理を施すことで（Ｓ９０２）、傾斜面にミラー１２０が形成される。これにより、光モジュール１００が完成する（Ｓ９０３）。
一方、図９（ｂ）に示す光モジュールの場合、射出成形された後、光導波路を構成する複数の溝９１１にコア材料９１２を充填する。更に、コア材料９１２が充填された溝９１１の上から、オーバークラッドフィルム９１３を貼り付け、ＵＶ硬化処理を行うことで完成する。
図９（ａ）と図９（ｂ）との対比から明らかなように、本実施形態に係る光モジュール１００の場合、部品点数が少ないため製造工程を簡素化することができる。なお、図９（ａ）の例では、蒸着処理を施すこととしたが、傾斜面４０２で光信号が全反射するようにすれば、蒸着処理を省略することも可能である。ただし、傾斜面４０２に蒸着処理を施さない場合、傾斜面４０２が汚れると反射面で光損失が発生するため、このような光損失の発生を防止するためには傾斜面４０２に蒸着処理を施すことが好ましい。
光モジュール１００内部を伝送される光信号を傾斜面４０２で全反射させるためには、例えば屈折率１．５よりも高い屈折率を有する材料により、光モジュール１００を形成すればよい。
＜９．光信号の損失＞
次に、光モジュールを介した光信号の伝送に伴う光信号の損失について説明する。図１０は、光モジュール１００を介して光信号を伝送した際の光信号の損失を説明するための図である。図１０（ａ）は本実施形態による光モジュールの光信号の経路を模式的に示した図である。図１０（ｂ）は、比較例による光モジュールの光信号の経路を模式的に示した図である。
図１０（ａ）に示すように、実施形態による光モジュール１００の場合、３つの箇所にて光信号の損失が発生する。具体的には、光ファイバにより伝送された光信号が入射用レンズ２１０を介して光モジュール１００に入射する際に、光信号の損失が発生する。また、光信号がミラー１２０において反射する際に光信号の損失が発生する。更に、光信号が出射用レンズ２４０から出射する際に、光信号の損失が発生する。
なお、ＶＣＳＥＬ６１２より出射された光信号が入射用レンズ２５０に入射する場合も同様である。つまり、光信号が入射用レンズ２５０に入射する際に光信号の損失が発生する。また、光モジュール１００の内部を伝送される光信号がミラー１２０で反射する際に、光信号の損失が発生する。更に、ミラー１２０で反射した光信号が出射用レンズ２２０から出射する際に光信号の損失が発生する。
一方、図１０（ｂ）に示す光モジュールの場合、４つの箇所にて光信号の損失が発生する。具体的には、光ファイバにより伝送された光信号が入射用レンズを介して光モジュールに入射する際に光信号の損失が発生する。また、入射レンズから溝に充填されたコア材料９１２に入射する際に光信号の損失が発生する。また、光信号がコア材料９１２から出射する際に光信号の損失が発生する。更に、コア材料から出射した光信号が出射用レンズより出射される際に光信号の損失が発生する。
このように、本実施形態に係る光モジュール１００によれば、図１０（ｂ）の光モジュールよりも光信号の損失機会を少なくすることができるため、光信号の損失を低く抑えることができる。例えば、図１０（ｂ）の光モジュールによる光信号の損失は６ｄＢ程度発生していたところ、本実施形態に係る光モジュール１００によれば、光信号の損失は４．５ｄＢ程度に抑えることが可能となる。
＜１０．まとめ＞
以上の説明から明らかなように本実施形態に係る光モジュールでは、
・光モジュールが設置される面に対して傾斜する面にミラーを設ける構成とした。
・レンズ群、傾斜面を射出成形により一体部品として形成した。
なお、本実施形態では、ミラーを設ける条件として、傾斜面４０２と平面４０１とのなす角度を４５°とし、またモジュール材料の屈折率を１．５以上としている。
これにより、光モジュールを製造する際に必要な材料（コア材料、オーバークラッド材料等）が不要となる。この結果、従来の光モジュールを製造する場合の製造工程と対比して、製造工程を簡素化することが可能となる。更に、従来の光モジュールによる光信号の損失と対比して、光信号の損失を低減させることが可能となる。
［第２の実施形態］
上記第１の実施形態では、入射用レンズ２１０、２５０、出射用レンズ２２０、２４０として、非球面レンズを用いたが球面レンズを用いるようにしてもよい。球面レンズの場合、加工が容易で安価であるといった利点がある。
なお、上記実施形態に挙げた構成等に、その他の要素との組み合わせなど、ここで示した構成に本発明が限定されるものではない。これらの点に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更することが可能であり、その応用形態に応じて適切に定めることができる。
１００ ：光モジュール
１１０ ：挿入口
１１１ ：当接面
１１２ ：凹部
１１３ ：固定穴
１２０ ：ミラー
１３０ ：レンズ群
１４０ ：ＭＴフェルール
１４２ ：先端面
１４３ ：突起部
１４４ ：開口穴群
２１０ ：入射用レンズ
２２０ ：出射用レンズ
２３０〜２３２ ：脚部
２４０ ：出射用レンズ
２５０ ：入射用レンズ
２６０ ：レンズ群
２７０ ：底面
２８０ ：周縁部
４０１ ：平面
４０２ ：傾斜面
４２１、４２２ ：光信号
４３１、４３２ ：光信号
６００ ：プリント基板
６１１ ：光検出器
６１２ ：ＶＣＳＥＬ

Claims (8)

  1. 電気信号と光信号との変換を行う光トランシーバのプリント基板において、光ファイバと、前記プリント基板に実装又は形成される光電変換素子との間に設置される光モジュールであって、
    入射用のレンズと
    出射用のレンズと、
    前記入射用のレンズと前記出射用のレンズとの間の光路上に傾斜面により形成されるミラーと
    を有することを特徴とする光モジュール。
  2. ＭＴフェルールの一部を内包する空間を有することを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
  3. 前記入射用のレンズまたは前記出射用のレンズの少なくとも一方と、前記ミラーが形成される面とは、射出成形による一体部品として形成されることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
  4. 前記空間には凹部が設けられており、該凹部に前記入射用のレンズまたは前記出射用のレンズの少なくとも一方が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
  5. 前記ミラーが形成される傾斜面に蒸着処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
  6. 前記ＭＴフェルールに設けられた突起部を前記空間に設けられた固定穴に嵌合することで、前記ＭＴフェルールを固定することを特徴とする請求項２に記載の光モジュール。
  7. 前記入射用のレンズまたは前記出射用のレンズの少なくとも一方は、非球面レンズであることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
  8. 電気信号と光信号との変換を行う光トランシーバのプリント基板において、光ファイバと、前記プリント基板に実装又は形成される光電変換素子との間に設置される光モジュールの製造方法であって、
    入射用のレンズと、出射用のレンズと、前記プリント基板と接触する前記光モジュールの脚部により形成される平面に対して所定の角度をなす傾斜面と、を射出成形により一体部品として形成する工程と、
    前記入射用のレンズと前記出射用のレンズとの間の光路上に前記傾斜面によりミラーを形成する工程と
    を有することを特徴とする光モジュールの製造方法。
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