JP2017191244A - 光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】狭いピッチで光素子を配置でき、かつ、光素子の位置ずれを抑制可能な光モジュールを提供する。
【解決手段】複数本の光ファイバ５と、複数本の光ファイバ５と光結合される複数の光素子としての発光素子４１と、複数の発光素子４１が搭載される基板としてのベース４３と、を備え、ベース４３の表面には、複数の溝４３ａまたは突起が整列方向に離間して形成され、表面の高さ位置が異なる複数の凸部４４と凹部４５とが整列方向に沿って交互に形成されており、凸部４４の表面に、発光素子４１が接着剤４６により固定されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、光モジュールに関する。

従来、複数本の光ファイバと、複数本の光ファイバと光結合される光素子と、光素子が搭載される基板と、を備えた複数チャンネルに対応した光モジュールが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この種の光モジュールでは、光素子として、アレイ状の光素子を用いることが多い。しかし、アレイ状の光素子は、発光部または受光部のうち１つでも動作不良と判断されると、アレイ状の光素子全体が不良と判断されるため、歩留りが悪く高価である。

特許文献１では、発光部または受光部を１つのみ有する光素子（単光学素子）を複数用い、これら複数の光素子を基板に整列して配列した光モジュールが提案されている。このように構成することで、高価なアレイ状の光素子を用いずとも、複数チャンネルに対応した光モジュールを実現することが可能になる。

また、この出願の発明に関連する他の先行技術文献情報としては、特許文献２がある。

特開２０１３−８００６９号公報 特開２００６−９３５２３号公報

ところで、光素子として面発光素子または面受光素子を用いる場合、発光部または受光部を基板と反対側に向けて配置し、光素子と光ファイバとをレンズブロックを介して光結合させるように構成する場合がある。このような場合、光素子は、銀−エポキシ系の接着剤等の接着剤を用いて基板に接着固定されるのが通常である。

しかしながら、接着剤を用いて複数の光素子を接着固定する際に、光素子の下方の接着剤が側方に押し出され、この押し出された接着剤によって既に配置していた光素子に位置ずれが生じてしまう、という問題がある。

押し出される接着剤の影響を抑えるために、接着剤の量を少なくし微小範囲に塗布することも考えられるが、光素子の接着固定に用いる接着剤は粘度が高く、接着剤を塗布するディスペンサに径の細いニードル（針）を使用できないため、接着剤を微小範囲に塗布することは困難である。

また、押し出される接着剤の影響を抑えるために、光素子の間隔を大きくすることも考えられるが、この場合、レンズブロックや基板が大型化し、光モジュール全体の大型化につながってしまうという問題がある。

なお、押し出される接着剤の影響を抑えるために、全ての光素子を同時に搭載することも考えられるが、現状の技術では、コストや精度等の観点から、全ての光素子を同時に搭載することは困難であった。

特許文献２では、基板に形成した溝（キャビティ）に光素子を挿入することで、光素子を接着固定する際の位置ずれを抑制することが提案されているが、この方法では、溝を離間して形成する必要があるために、光素子同士の間隔（ピッチ）が大きくなってしまい、レンズブロックや基板が大型化し、光モジュール全体の大型化をまねいてしまう。そのため、狭いピッチで光素子を配置して高密度実装を実現し、かつ、光素子の位置ずれを抑制可能な技術が要求されている。

そこで、本発明は、狭いピッチで光素子を配置でき、かつ、光素子の位置ずれを抑制可能な光モジュールを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、複数本の光ファイバと、前記複数本の光ファイバと光結合される複数の光素子と、前記複数の光素子が搭載される基板と、を備え、前記基板の表面には、複数の溝または突起が整列方向に離間して形成され、表面の高さ位置が異なる複数の凸部と凹部とが前記整列方向に沿って交互に形成されており、前記凸部の表面に、前記光素子が接着剤により固定されている、光モジュールを提供する。

本発明によれば、狭いピッチで光素子を配置でき、かつ、光素子の位置ずれを抑制可能な光モジュールを提供できる。

本発明の一実施の形態に係る光モジュールの分解斜視図である。 図１の光モジュールの外観を示す斜視図である。 図１の光モジュールの送信側光電変換部を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は側面図である。 （ａ），（ｂ）は、光素子の搭載手順を説明する図である。 （ａ），（ｂ）は、光素子の搭載手順を説明する図である。 本発明の一変形例に係る光モジュールの送信側光電変換部を示す断面図である。 本発明の一変形例に係る光モジュールの送信側光電変換部を示す断面図である。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

（光モジュールの全体構成）
図１は、本実施の形態に係る光モジュールの分解斜視図であり、図２はその外観を示す斜視図である。

図１，２に示すように、光モジュール１は、送信側回路基板２と受信側回路基板３とを有し、複数チャンネルの光信号を送受信可能に構成されている。光モジュール１は、例えば、１２チャンネル双方向（送信１２チャンネル、受信１２チャンネル）の通信が可能に構成されている。光モジュール１は、例えば、１チャンネルあたり１０Ｇｂ／ｓ（ギガビット毎秒）の信号を伝送する高速伝送用の光モジュールである。

送信側回路基板２には、電気信号を光信号に変換する送信側光電変換部４が搭載され、送信側光電変換部４には複数本（例えば１２本）の送信側光ファイバ５がＭＴフェルール５ａを介して接続されている。送信側回路基板２の一端部には電極が整列して形成され、送信側カードエッジコネクタ２ａが形成されている。送信側光電変換部４の具体的な構成については後述する。

受信側回路基板３には、光信号を電気信号に変換する受信側光電変換部６が搭載され、受信側光電変換部６には複数本（例えば１２本）の受信側光ファイバ７が図示しないＭＴフェルールを介して接続されている。受信側回路基板３の一端部には、電極が整列して形成され、受信側カードエッジコネクタ３ａが形成されている。図示していないが、受信側光電変換部６は、ＰＤ（Photo Diode）等の受光素子と、受光素子からの電気信号を増幅するアンプＩＣと、受信側光ファイバ７と受光素子とを光結合するレンズブロックと、を有して構成されている。

送信側回路基板２と受信側回路基板３とは、光電変換部４，６を搭載した表面同士を向い合せた状態で上下に配置され、筐体８内に収容される。両回路基板２，３の他端側から延出された送信側光ファイバ５と受信側光ファイバ７は、束ねられてケーブル化され、光ファイバケーブル９として筐体８から延出されている。

（送信側光電変換部４の説明）
図３は、送信側光電変換部４を示す図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は側面図である。なお、図３（ｂ）では送信側光ファイバ５とレンズブロック４２とを省略して示している。

図１および図３に示すように、送信側光電変換部４は、複数本の送信側光ファイバ５と、複数の発光素子４１とが、レンズブロック４２を介して光結合されている。

発光素子４１は、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER）等の面発光素子からなり、ベース４３に搭載されている。ここでは、発光素子４１として、発光部を１つのみ有する単光学素子を用い、各発光素子４１を発光部がベース４３と反対側（上側）を向くようにベース４３に搭載した。本実施の形態では、発光素子４１として、長さＬが２５０μｍ、幅Ｗが２５０μｍ、高さＨが２００μｍのものを用いた。発光素子４１は本発明の光素子の一態様であり、送信側光ファイバ５は本発明の光ファイバの一態様、ベース４３は本発明の基板の一態様である。なお、図３（ａ），（ｂ）では６個の発光素子４１のみを示しているが、発光素子４１の数はこれに限定されない。例えば、１２チャンネルの送信が可能な光モジュール１では、１２個の発光素子４１がベース４３に搭載されることになる。

図示していないが、送信側光電変換部４は、送信側回路基板２に搭載され発光素子４１を駆動する駆動ＩＣを有しており、各発光素子４１と駆動ＩＣとがワイヤ４１ａ（図１参照）を介して電気的に接続されている。

発光素子４１を搭載する基板としてのベース４３は、導電性の部材、例えば、銅タングステン（Ｃｕ−Ｗ）やコバールなどの金属からなり、送信側回路基板２の内層に形成された図示しないグランドパターンと電気的に接続されている。ベース４３は、送信側回路基板２に形成された切欠き２ｂ（図１参照）を裏面側から塞ぐように送信側回路基板２に設けられている。

各発光素子４１の上方には、レンズブロック４２が配置されている。レンズブロック４２は、図示しないレンズ枠を介してベース４３に固定されている。レンズ枠には、送信側光ファイバ５の端部に設けられたＭＴフェルール５ａが係合され、送信側光ファイバ５と対応する発光素子４１とがレンズブロック４２を介して光学的に接続されている。

レンズブロック４２の下面には、各発光素子４１に対応するように素子側レンズ４２ａが形成されており、レンズブロック４２の側面には、各送信側光ファイバ５に対応するようにファイバ側レンズ４２ｂが形成されている。また、レンズブロック４２は、各発光素子４１から素子側レンズ４２ａを介して入射された光を反射し、ファイバ側レンズ４２ｂを介して送信側光ファイバ５に出射する反射面４２ｃを有している。

さて、本実施の形態に係る光モジュール１では、ベース４３の表面には、複数の溝４３ａが任意の整列方向（ここでは、図３（ａ），（ｂ）における左右方向）に離間して形成され、表面の高さ位置が異なる複数の凸部４４と凹部４５とが整列方向に沿って交互に形成されており、凸部４４の表面に、発光素子４１が接着剤により固定されている。接着剤４６としては、例えば、銀−エポキシ系の接着剤を用いることができる。

本実施の形態では、複数の凸部４４のそれぞれに、発光素子４１が接着剤４６により固定されている。つまり、１つの凸部４４に１つの発光素子４１がそれぞれ接着固定されている。各発光素子４１は、その幅方向が整列方向と一致するように、幅方向に一直線状に整列して配置されている。また、本実施の形態では、凸部４４と凹部４５との間に形成される段差４７（溝４３ａの側壁）は、凸部４４および凹部４５の表面（上面）に対して垂直に形成されている。

本実施の形態では、凸部４４の表面に発光素子４１が接着固定されるため、発光素子４１を配置する際に発光素子４１の下方から押し出された接着剤４６は、凹部４５（溝４３ａ）内へと流し込まれる。このように、本実施の形態では、凹部４５（溝４３ａ）は、発光素子４１を配置する際に押し出された接着剤４６の余剰分を収容する役割を果たす。接着剤４６の余剰分を凹部４５（溝４３ａ）に収容することにより、押し出された接着剤によって既に配置されている発光素子４１に位置ずれが生じてしまうことが抑制される。このように、本実施の形態に係る光モジュール１は、発光素子４１が接着固定される部分（凸部４４ａ）の間に、接着剤４６の余剰分を収容する（流し込む）ための溝４３ａ（凹部４５）が形成されたものである、と換言することもできる。

本実施の形態では、発光素子４１を配置する際に側方に押し出される接着剤４６の量を少なくするために、凸部４４の整列方向に沿った幅ｄ１を、発光素子４１の幅Ｗよりも小さくしている。つまり、本実施の形態では、上面視で発光素子４１と重なる位置に凹部４５（溝４３ａ）が形成されている。

これにより、発光素子４１を配置する際に押し出された接着剤４６が凹部４５（溝４３ａ）へと流し込まれ易くなるため、接着剤４６が発光素子４１の側方へと押し出されにくくなり、既に配置されている発光素子４１に位置ずれが生じてしまうことをより抑制可能になる。

なお、凸部４４の幅ｄ１を小さくしすぎると、凸部４４の表面の面積が小さくなって発光素子４１を安定して保持することができなくなるため、凸部４４の幅ｄ１は、発光素子４１を安定して保持できる程度の幅（好ましくは発光素子４１の幅Ｗの１／３以上）とされる。

凸部４４の幅ｄ１と、凹部４５の幅（隣り合う凸部４４の間隔）ｄ２とを足し合わせた幅ｄ１＋ｄ２は、発光素子４１の幅Ｗと略等しくされる（幅Ｗよりも若干大きくされる）。これにより、整列方向における発光素子４１のピッチＰを、発光素子４１の幅Ｗ（ここでは２５０μｍ）と略等しくし、狭ピッチで発光素子４１を配置することが可能になる。

発光素子４１の接着固定に用いる接着剤４６は粘度が高いため、凹部４５の幅ｄ２が小さいと、押し出された接着剤４６が凹部４５を越えて既に配置されている発光素子４１に干渉してしまうおそれが生じる。

そこで、本実施の形態では、凸部４４の整列方向に沿った幅ｄ１を、凹部４５の整列方向に沿った幅ｄ２よりも小さくしている。換言すれば、本実施の形態では、凹部４５の整列方向に沿った幅ｄ２を、凸部４４の整列方向に沿った幅ｄ１よりも大きくしている。これにより、発光素子４１のピッチＰを小さくした場合であっても、凹部４５の幅ｄ２を確保し、発光素子４１の配置時に押し出された接着剤４６が凹部４５を越えて既に配置されている発光素子４１に干渉してしまう、といった不具合を抑制することが可能になる。

なお、ここでは、各凸部４４の幅ｄ１を同じ幅としたが、各凸部４４の幅ｄ１は異なっていてもよい。例えば、整列方向における最外に配置される凸部４４の幅ｄ１を、他の凸部４４の幅ｄ１よりも大きく形成するなどしてもよい。同様に、ここでは、凹部４５の幅ｄ２を同じ幅としたが、各凹部４５の幅ｄ２は異なっていてもよい。凸部４４と凹部４５との間の段差４７の高さ（溝４３ａの深さ）ｈは、凹部４５内に収容される接着剤４６の量や接着剤４６の粘度等に応じて適宜調整するとよい。

本実施の形態では、凸部４４の幅方向における中心位置と、発光素子４１の幅方向における中心位置とが一致するように発光素子４１を配置している。そのため、凸部４４の幅方向における配置ピッチは、発光素子４１のピッチＰと略同じに（発光素子４１のピッチＰよりも若干大きく）される。

溝４３ａは、切削加工等の機械的な加工により形成してもよいが、この溝４３ａは、発光素子４１の位置決め（アライメントマーク）の役割も果たすことになるため、エッチングにより精度よく形成することが望ましい。ここでは、ベース４３としてコバールからなるものを用いたが、これに限らず、ベース４３は、エッチングが可能な導電性の材料から構成されていればよい。

なお、本実施の形態では、複数の溝４３ａを形成することにより凸部４４と凹部４５を形成したが、これに限らず、ベース４３に複数の突起を形成することで、凸部４４と凹部４５を形成してもよい。この場合、真空蒸着やスパッタリング等の任意の方法により、ベース４３の所定の位置に凸部４４となる突起を成膜するようにすればよい。

次に、発光素子４１をベース４３に搭載する手順について説明する。

図４（ａ），（ｂ）に示すように、まず、基板としてのベース４３の表面に、複数の溝４３ａを任意の整列方向に離間して形成し、表面の高さ位置が異なる凸部４４と凹部４５とを整列方向に沿って交互に形成し、凸部４４の周囲に接着剤４６を塗布する。ここでは、点状に接着剤４６を塗布する場合を示しているが、整列方向に直線状に接着剤４６を塗布してもよい。塗布する接着剤４６の量は、発光素子４１を載置した際に押し出される量（凹部４５に収容される量）が多くなり過ぎないように、適宜調整される。

その後、図５（ａ），（ｂ）に示すように、凸部４４の接着剤４６を塗布した位置に、発光素子４１を載置する。このとき、発光素子４１の下方の接着剤４６は凹部４５内へと押し出され、接着剤４６の余剰分が凹部４５内に収容される。

同様にして凸部４４の接着剤４６を塗布した位置に、発光素子４１を載置し、接着剤４６を硬化させると、図３（ａ）〜（ｃ）に示した状態となり、発光素子４１の搭載作業が完了する。

（変形例）
図６に示すように、発光素子４１のベース４３側の面（発光部と反対側の面）に、凸部４４の先端部を収容する位置決め用溝４１ｂを形成してもよい。この場合、発光素子４１は、位置決め用溝４１ｂに凸部４４の先端部を収容した状態で、凸部４４に接着剤により固定されることになる。

これにより、凸部４４が位置決め用の突起としての役割を果たすことになり、発光素子４１の位置決めを容易に行うことが可能になる。ここでは、発光素子４１のベース４３側の面における幅方向の中央部に、凸部４４に沿った（幅方向（整列方向）及び高さ方向に垂直な長さ方向に沿った）直線状の位置決め用溝４１ｂを形成したが、位置決め用溝４１ｂの形状や形成位置はこれに限定されない。

例えば、凸部４４に沿った第１溝と第１溝と直交する第２溝とを有する十字状の位置決め用溝４１ｂを形成してもよい。これにより、第１溝内に凸部４４の先端部を収容する際に、第１溝内に入り込んだ接着剤４６が第２溝を介して排出され易くなり、発光素子４１の実装がより容易となる。また、第２溝に収容される位置決め用の突起を凸部４４と一体または別体にベース４３に形成しておくことで、発光素子４１の幅方向及び長さ方向の位置決めを容易に行うことが可能になる。

また、図７に示すように、位置決め用溝４１ｂは、発光素子４１の幅方向における端部（図７では左側の端部）に形成されていてもよい。この場合、凸部４４と凹部４５間の段差４７に、位置決め用溝４１ｂの側面を当接させることで、発光素子４１の位置決めを行うとよい。

また、本実施の形態では、発光素子４１が単光学素子である場合を説明したが、発光素子４１が複数の発光部を有するアレイ状素子であってもよい。この場合、アレイ状光素子としては、比較的安価な発光部の数が少ないものを用いることが望ましい。

また、本実施の形態では、１つの凸部４４に１つの発光素子４１を配置しており、凸部４４と発光素子４１とが１対１で対応していたが、これに限らず、複数の凸部４４にわたるように発光素子４１を配置してもよい。例えば、発光素子４１としてアレイ状素子を用いる場合には、側方に押し出される接着剤４６の量を少なくするために、複数の凸部４４にわたるように発光素子４１を配置することが望ましい。

さらに、本実施の形態では、送信側光電変換部４において、発光素子４１を凸部４４に実装する場合を説明したが、これに限らず、送信側光電変換部４と同様の構造を受信側光電変換部６に適用してもよい。

すなわち、受信側光電変換部６は、基板としてのベースの表面に、複数の溝または突起が任意の整列方向に離間して形成され、表面の高さ位置が異なる複数の凸部と凹部とが整列方向に沿って交互に形成されており、凸部の表面に、受光素子が接着剤により固定された構造となっていてもよい。受光素子としては、単光学素子を用いてもよいし、複数の受光部を有するアレイ状素子（比較的安価な受光部の数が少ないもの）を用いてもよい。

つまり、本発明は、送信側光電変換部４と受信側光電変換部６のいずれにも適用可能であり、光モジュール１は、送信側光電変換部４と受信側光電変換部６のいずれか一方が、基板の凸部に光素子が搭載された構造となっていればよい。

（実施の形態の作用及び効果）
以上説明したように、本実施の形態に係る光モジュール１では、基板としてのベース４３の表面に、複数の溝４３ａ（または突起）が整列方向に離間して形成され、表面の高さ位置が異なる凸部４４と凹部４５とが整列方向に沿って交互に形成されており、凸部４４の表面に、光素子（発光素子４１または受光素子）が接着剤４６により固定されている。

このように構成することで、発光素子４１を凸部４４に搭載する際に押し出された接着剤４６の余剰分が凹部４５内へと収容されることになり、狭いピッチＰで光素子を配置する場合であっても、既に配置していた光素子に位置ずれが生じてしまうことを抑制可能になる。

つまり、本実施の形態によれば、狭いピッチＰで光素子を配置でき、かつ、光素子の位置ずれを抑制可能な光モジュール１を実現できる。

その結果、安価な単光学素子（あるいは比較的安価な発光部や受光部の数が少ないアレイ状素子）を用いて複数チャンネルの通信を実現することができ、光モジュール１の低コスト化が可能になる。本発明は、特にアレイ状素子がより高価となる高速伝送用途において、特に効果を奏する。また、本実施の形態によれば、狭いピッチＰで光素子を配置でき、光素子の高密度実装が可能となるため、レンズブロック４２や基板（ベース４３）の小型化が可能となり、光モジュール１全体の小型化に寄与する。

（実施の形態のまとめ）
次に、以上説明した実施の形態から把握される技術思想について、実施の形態における符号等を援用して記載する。ただし、以下の記載における各符号等は、特許請求の範囲における構成要素を実施の形態に具体的に示した部材等に限定するものではない。

［１］複数本の光ファイバ（５）と、前記複数本の光ファイバ（５）と光結合される複数の光素子（４１）と、前記複数の光素子（４１）が搭載される基板（４３）と、を備え、前記基板（４３）の表面には、複数の溝（４３ａ）または突起が整列方向に離間して形成され、表面の高さ位置が異なる複数の凸部（４４）と凹部（４５）とが前記整列方向に沿って交互に形成されており、前記凸部（４４）の表面に、前記光素子（４１）が接着剤（４６）により固定されている、光モジュール（１）。

［２］前記凸部（４４）の前記整列方向に沿った幅が、前記光素子（４１）の前記整列方向に沿った幅よりも小さい、［１］に記載の光モジュール（１）。

［３］前記光素子（４１）の前記基板（４３）側の面には、位置決め用溝（４１ａ）が形成されており、前記光素子（４１）は、前記位置決め用溝（４１ａ）に前記凸部（４４）の先端部を収容した状態で、前記凸部（４４）に前記接着剤（４６）により固定されている、［２］に記載の光モジュール（１）。

［４］前記凸部（４４）の前記整列方向に沿った幅が、前記凹部（４５）の前記整列方向に沿った幅よりも小さい、［１］乃至［３］の何れか１項に記載の光モジュール（１）。

［５］前記光素子（４１）が、発光部または受光部を１つ有する単光学素子からなる、［１］乃至［４］の何れか１項に記載の光モジュール（１）。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。

１…光モジュール
２…送信側回路基板
３…受信側回路基板
４…送信側光電変換部
５…送信側光ファイバ（光ファイバ）
６…受信側光電変換部
７…受信側光ファイバ
８…筐体
９…光ファイバケーブル
４１…発光素子（光素子）
４２…レンズブロック
４２ａ…素子側レンズ
４２ｂ…ファイバ側レンズ
４２ｃ…反射面
４３…ベース（基板）
４３ａ…溝
４４…凸部
４５…凹部
４６…接着剤
４７…段差

Claims (5)

1. 複数本の光ファイバと、
   前記複数本の光ファイバと光結合される複数の光素子と、
   前記複数の光素子が搭載される基板と、を備え、
   前記基板の表面には、複数の溝または突起が整列方向に離間して形成され、表面の高さ位置が異なる複数の凸部と凹部とが前記整列方向に沿って交互に形成されており、
   前記凸部の表面に、前記光素子が接着剤により固定されている、
   光モジュール。
2. 前記凸部の前記整列方向に沿った幅が、前記光素子の前記整列方向に沿った幅よりも小さい、
   請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記光素子の前記基板側の面には、位置決め用溝が形成されており、
   前記光素子は、前記位置決め用溝に前記凸部の先端部を収容した状態で、前記凸部に前記接着剤により固定されている、
   請求項２に記載の光モジュール。
4. 前記凸部の前記整列方向に沿った幅が、前記凹部の前記整列方向に沿った幅よりも小さい、
   請求項１乃至３の何れか１項に記載の光モジュール。
5. 前記光素子が、発光部または受光部を１つ有する単光学素子からなる、
   請求項１乃至４の何れか１項に記載の光モジュール。

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