JP3723926B2 - Receptacle type optical module - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信で利用される光モジュールに係り、特に、外部とPC接続(球面接続)により光結合するレセプタクルを備えた光モジュールに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光導波路基板に半導体光素子が搭載され、外部とPC接続により光結合するレセプタクル型の光モジュールの公知例としては、1997年電子情報通信学会総合大会講演論文集エレクトロニクス1:SC−3−1に述べられている光導波路モジュールが知られている。
【0003】
この従来技術による光導波路モジュールは、波長多重通信を行うための光合波・分波回路をSi基板上の光導波路で実現しており、外部との光信号の入出力用として、端面をPC研磨(球面研磨)したフェルールを利用したレセプタクルを備えている。
【0004】
レセプタクルに挿入されるプラグ側のフェルールもPC研磨されており、両フェルールは割スリーブにより互いに位置合わせが行われ、プラグをレセプタクルに挿入後は、プラグ内のばね力によりプラグ側のフェルールがレセプタクル側のフェルールに押し付けられることで、両フェルールはPC接続される。
【0005】
この接続の際のばね力による荷重をモジュール内部に伝えないように、モジュール側フェルールはモジュールケースに対し、頑丈に固定されている。フェルールのPC研磨されていない側からは、短かくファイバ素線が突き出しており、ファイバ素線端面が光導波路基板端面の光導波路露出部分に光結合した状態で接着固定されている。このファイバ、あるいは光素子との光結合のために、光導波路基板は両端で光結合ユニット等を介して箱型のセラミックケースに固定されている。
【0006】
光素子はケースの両端に搭載されており、その近傍でケースにある電気信号端子と導通しており、この電気信号端子を電気基板上のパッドに固定することでケースは電気基板に固定される。ここで、光導波路基板をその両端でケースに対して固定する構造としたため、両者の線膨張係数の違いにより、環境温度変化時には熱応力が発生する。これはケース材に光導波路基板と線膨張係数が近いものを選ぶことで緩和されるが、足りない分は光導波路基板が両端のみの固定である事を利用し、光導波路基板自身がたわむように変形することで緩和されている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術には、次の問題点が存在する。第1にモジュールの温度に対する特性変化が大きくなる。光導波路は屈折率違いを利用して光を光導波路中に閉じ込めて伝播するため、部材が応力や変形の影響を受けると屈折率分布が変化し、光特性が変わってしまう。モジュールが高温、あるいは低温環境に置かれた場合、ケース材と光導波路基板との線膨張係数の違いにより、応力が発生するが、ケース材は電気基板に対し固定されており、かつ箱型で変形しにくいため、光導波路基板が変形することで応力は緩和される。この光導波路基板の変形により、光導波路の光特性は変化するため、結果としてモジュールの温度特性変化が大きくなる。これでは、モジュールの使用可能温度範囲が狭くなることになる。
【0008】
第2の問題点としては、放熱の問題が上げられる。光導波路基板とケース材の線膨張率の違いから発生する第1の問題点を緩和するために、ケース材として、光導波路基板の材質であるSi、SiO2 、ガラス等に近い線膨張係数を持つ42アロイ等の合金やアルミナ等のセラミック等が用いられるが、これらの物質の熱伝導率は30W/(m・K)前後と比較的小さいために、モジュール全体としての熱抵抗が上がることになり、LD(Laser Diode:半導体レーザー、以下LDと略す)やアンプ用ICなど発熱量の多い素子をモジュール内に搭載した場合、内部の熱を外部に放熱しにくく、モジュール内の温度が上がりやすい。
【0009】
モジュールの温度が上昇し、内部素子が放熱できなくなると、LDの発振が不安定になったり、ICが熱暴走したりする可能性が高くなるため、モジュールの放熱性をあげるには放熱フィンをモジュールにつけたり、モジュールが搭載される電気基板を通して放熱するために接続用ピンの数を増やす、あるいはモジュール底面に伝熱性グリースや伝熱性シート等の伝熱物質をつけて電気基板と密着させる等の手段が必要となり、コスト高を招いている。
【0010】
以上の理由にから、従来の技術では環境温度変化に対する高い耐久性を優する光モジュールを安価に製造することは困難であった。
【0011】
本発明の課題は、環境温度変化に対する特性変化が小さく、かつ安価に製造することのできるレセプタクル型光モジュールを提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記課題を達成するために、本発明は、光導波路が形成され且つ該光導波路と光結合した光素子が搭載された光導波路基板と、内部に光ファイバが設けられ一端が前記光導波路基板の光導波路に接触固定されたフェルールと、前記フェルールに固定され外部より挿入される光コネクタ用プラグと前記フェルールの他端とを結合するレセプタクル部とを備えたレセプタクル型光モジュールにおいて、一端側が前記光導波路基板に固定され他端側が前記レセプタクル部に固定されて、且つ中間部に折り曲げ部が形成された板バネ部材と、前記光導波路基板が取り付けられた端子台に一端側が固定され、他端側は前記レセプタクル部に当接しただけの滑り構造を成したケース部材とを備えたことを特徴としている。
【0015】
上記構成によれば、熱膨張によって光導波路基板やフェルールが伸縮すると、ケース部材はその他端側がレセプタクル部に当接した状態で滑り、また板バネ部材は折り曲げ部が伸び縮みするので、光導波路基板やフェルールには熱応力が加わらない。その結果、光導波路基板やフェルールの撓みを抑制でき、モジュールの温度変化に対する光特性変化を軽減することができる。
【0016】
前記板バネ部材は、熱伝導率50W/(K・m)以上のCuまたはCu系合金で、もしくは、線膨張係数10×10~6/K以下のFe−Ni系合金で形成することができる。この場合、板バネ部材の厚さは0.5mm以下とするのがよい。このように構成すれば、放熱フィン等の補助手段無しでも、より広い環境温度範囲で安定した動作を行うことが可能になる。
【0017】
また、前記板バネ部材は、モジュールの電気信号ピンを形成するためのリードフレームにダイパッドとして形成することができる。このように構成すれば、工程を減らしコスト低減を図ることができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【0019】
(実施の形態1)
図1および図2は本発明に係る光モジュールの構成を示しており、図1はフェルール中のファイバを含む垂直面で切断した場合の断面図、図2は水平面で切断した場合の断面図である。また、図3はケース板バネ部材が変形した状態を示す断面図であり、図4はケース板バネ部材を有するリードフレームの上面概観図である。
【0020】
図1および図2において、光導波路基板1には、ベースとなるSiまたは石英の基板上に石英の光導波路1aが形成されている。光導波路基板1上には、フェルール2との接着面積を増やし接着部付近を保護するために、パイレックスガラス等の光導波路1aに膨張係数が近い物質を材質とする補強材が接着されている。また、光導波路基板1の端部には、半導体光素子を搭載するために電気配線を施したピット1bが設けられている。ピット1bの高さは、ここに搭載されたLD(半導体レーザ素子)4a、および受光用フォトダイオード(以下、PDと略す)4cが光導波路1aと最適に光結合できるように設定されている。
【0021】
LD4a、モニタ用フォトダイオード(以下、モニタPDと略す)4b、PD4cはピット1b上に施された電気配線上に半田付けにより搭載されるが、LD4aとPD4cについては素子端面での光反射を避けるため、光導波路1aの光軸に対して端面が斜めになるように搭載されている。光導波路基板1自体は、ワイヤボンディングにより電気配線されるため、また発熱体であるLD4aの熱を効率的に逃がすため、LD4aが搭載されているピット部1b下面付近でケース板バネ部材3を兼ねるダイパッド15(図4参照)に接着されている。5はボンディングワイヤである。
【0022】
また、フェルール2は円筒形でガラスまたはジルコニア等のセラミックで形成され、内部に光信号を伝えるためのファイバ6が接着固定されている。ファイバ6はその全長がフェルール2に内蔵されている。このように構成すると、組み立て時のファイバ6の破損を大幅に減らすことができる。また、フェルール2と共にファイバ6の両端面を加工することが可能となり、加工コストの低減を図ることができる。
【0023】
ファイバ6を内蔵したフェルール2の両端面のうち、光導波路基板1に接着され光導波路1aと光結合する側の端面2aは、端面での反射を押さえるために斜め研磨されている。その研磨角度は、垂直面に対して約8度とするのが望ましい。また、光導波路基板1側の端面も同様に斜め研磨されているが、光軸つまり光信号の進行方向を一致させるために、研磨角度はフェルール2とは逆となる。その研磨角度は、垂直面に対して約−8度とするのが望ましい。このようにフェルール2と光導波路基板1の端面が斜め研磨されることにより、フェルール2からの光信号についても、LD4a側からの光信号についても、反射光がファイバ6、光導波路1aに戻る量を減らすことができ、モジュールの動作安定性を増すことができる。
【0024】
フェルール2と光導波路基板1は接着剤で接着されている。この接着剤としては、光信号の使用する0.78〜1.55μm帯、特にモジュールの仕様に従い0.78または1.3または1.55μm近傍の光の透過率が高いこと、作業時間短縮のため硬化時間が短いこと、硬化時の位置ずれを防止するために硬化収縮が小さいこと、長期間に渡って光結合を維持するために耐久性が高いこと等が要求され、アクリル系またはエポキシ系の紫外線硬化型樹脂が使用される。
【0025】
フェルール2の反対側端面2bは、外部との光信号入出力用のレセプタクルの一部を構成するため、端面がPC研磨(球面研磨)されている。また、外部から挿入される光信号入出力用のプラグ(図示省略)のフェルールも端面がPC研磨されている。プラグ側のフェルールもフェルール2と同じ直径であり、プラグ挿入時には、フェルール同士が割スリーブ12により位置合わせされる。挿入後はプラグがレセプタクル・スリーブ13のつめで固定され、プラグ内のばねによりフェルールに適度な荷重がかかり、両フェルール間がPC接続される。このように、ばねによる荷重でPC接続される形式の光通信用コネクタとしては、JIS規格化されているものとしてFC型、SC型、MU型が一般的である。
【0026】
なお、フェルール2は、フェルール固定具8によってレセプタクル・スリーブ13に固定されている。また、フェルール固定具8とレセプタクル・スリーブ13はレセプタクル部を構成している。
【0027】
ところで、LD4aは発熱量が多く、その熱によって光導波路基板1およびフェルール2は熱膨張して、これら光導波路基板1やフェルール2の内部には熱応力が作用しやすい。
【0028】
本実施の形態では、レセプタクル・スリーブ13にケース板バネ部材3の一端側が接着剤16で接着固定され、そのケース板バネ部材3の他端側が接着剤16で光導波路基板1に接着固定されている。そして、ケース板バネ部材3の中間部には凸状折り曲げ部3aが形成されており、光導波路基板1やフェルール2よりも弾性率が低く設定されている。また、光導波路基板1やフェルール2を上側から覆うケース上側部品18は、光導波路基板1のピット部1b側に設けられた端子台17には固定されているが、レセプタクル・スリーブ13には固定されておらず、レセプタクル・スリーブ13とケース上側部品18間は滑りを許す構造となっている。
【0029】
このように構成すれば、温度変化により光導波路基板1やフェルール2が熱膨張したときは、ケース板バネ部材3が凸状折り曲げ部3aの所で引き伸ばされるので、光導波路基板1やフェルール2に作用する熱応力を緩和することができる。その様子を図3に示す。なお、図3においては、ケース板バネ部材3による熱応力の緩和を明瞭に示すために、凸状折り曲げ部3aの変形の様子が誇張して描かれている。
【0031】
このように、ケース板バネ部材3で熱応力の影響を軽減できることから、このような構造のモジュールはより広い動作温度範囲をもつことができ、耐久性を向上させることができる。
【0032】
ケース板バネ部材3は、図4に示すようにリードフレーム14と共に製作することができる。半導体パッケージなどで一般に利用されているリードフレーム14は、通常厚さが約0.25mmで42アロイなどFe−Ni系合金かCu単体あるいはCu系合金がそのままあるいはめっきを施して用いられる。これはリードフレーム14中のダイパッド15を通常のものより大きくし、端子台17成形時に他の電気信号ピン9とともに切り出し、凸状折り曲げ部3aの位置に折り曲げ加工等を行うことで、ケース板バネ部材として形成可能である。材質として、Fe−Ni系合金の方が線膨張係数がSiやガラスなど光導波路基板材料に近いので、発生する熱応力そのものを押さえることができ、また一方で、Cu単体あるいはCu系合金の方が熱伝導率が高いので、LDやアンプICなどの発熱を効率的に放熱できるので、発熱量や使用環境を基に適切な素材を選ぶ必要がある。なお、図4において、斜線部は形成加工時にカットされる部分である。
【0033】
(実施の形態2)
図5および図6は本発明の実施の形態2による光モジュールの構成を示しており、図5はフェルール中のファイバに含む垂直面で切断した場合の断面図、図6は光モジュールのケース側壁の一面をはがした状態の斜視図である。
【0034】
本実施の形態においては、実施の形態1の場合とは逆に、ケース板バネ部材20が光導波路基板1やフェルール2の上面側に設けられ、モジュールケースの上面を構成している。ケース板バネ部材20はその中間部に凸状折り曲げ部20aが形成され、光導波路基板1やフェルール2よりも弾性率が低く設定されている。そして、ケース板バネ部材20の一端側はレセプタクル・スリーブ13に接着剤16によって接着固定され、他端側は接着剤16によって端子台21に接着固定されている。また、光導波路基板1およびフェルール2に下側にはケース下側部品22が設けられ、このケース下側部品22の一側は端子台21に接着剤16によって固定されているが、他端側はレセプタクル・スリーブ13には固定されておらず、レセプタクル・スリーブ13とケース下側部品22間は滑りを許す構造となっている。
【0035】
このように構成すれば、温度変化により光導波路基板1やフェルール2が熱膨張したときは、ケース板バネ部材20が凸状折り曲げ部20aの所で引き伸ばされるので、光導波路基板1やフェルール2に作用する熱応力を緩和することができる。また、プラグの挿入・引き抜き時の荷重がケース板バネ部材20の凸状折り曲げ部20aで吸収され、光導波路基板1やフェルール2に過大な荷重がかかるのを防ぐこともできる。
【0036】
電気信号ピン9は端子台21からケース下側部品19の方向に伸びて設けられている。半導体パッケージにおけるDIL型、グリッドアレイ型のように電気信号ピンを持つ光モジュールを電気基板やICソケットに取り付ける場合、電気信号ピンを電気基板上の穴やICソケットに挿入するために、荷重をかける必要があるが、本実施の形態においては電気信号ピン9が付いている端子台21の背面を押すことで、モジュールの他の部分に不必要な力をかけることなく、電気信号ピン9に効率的に下向きの力をかけることができ、取り付け時のモジュール破損の可能性を減らすことができる。
【0037】
また、搭載する光素子やICチップからの発熱は電気信号ピン9からの熱伝導による放熱だけでなく、ケース板バネ部材20からの空気中への放熱も重要となる。本実施の形態においてはケース板バネ部材20が上面側に設けられているので、空気中への放熱を効率よく行うことができる。
【0038】
なお、ケース板バネ部材20からの放熱面積を増やすために、図7のように構成することもできる。図7では、ケース板バネ部材20に凸状折り曲げ部20aが3箇所に形成されている。凸状折り曲げ部20aの数が増えた分だけ面積が増え、図5の場合と比較して、ケース板バネ部材20からの放熱性が向上している。凸状折り曲げ部20aは2箇所でもよいし、4箇所以上あってもよい。
【0039】
(実施の形態3)
図8は本発明の実施の形態3による光モジュールの構成を示しており、フェルール中のファイバに含む垂直面で切断した場合の断面図である。
【0040】
本実施の形態においては、ケース板バネ部材30が端子台31の一部として樹脂材料で一体成形されている。樹脂材料としては、エポキシ樹脂または液晶ポリマーなどを主材とし、熱伝導率の高いものがよい。ケース板バネ部材30はその中間部に凹状折り曲げ部30aが形成され、光導波路基板1やフェルール2よりも弾性率が低く設定されている。
【0041】
ケース板バネ部材30の一端側はレセプタクル・スリーブ13に接着剤16によって接着固定され、他端側は接着剤16によって端子台31に接着固定されている。また、光導波路基板1やフェルール2を上側から覆うケース上側部品32が設けられ、このケース上側部品32の一側は端子台31に接着剤16によって固定されているが、他端側はレセプタクル・スリーブ13には固定されておらず、レセプタクル・スリーブ13とケース上側部品32間は滑りを許す構造となっている。
【0042】
本実施の形態の場合も、温度変化により光導波路基板1やフェルール2が熱膨張したときに、ケース板バネ部材30が凹状折り曲げ部30aの所で引き伸ばされるので、光導波路基板1やフェルール2に作用する熱応力を緩和することができる。また、プラグの挿入・引き抜き時の荷重が凹状折り曲げ部30aで吸収されるので、光導波路基板1やフェルール2に過大な荷重がかかるのを防ぐこともできる。
【0043】
また、本実施の形態によれば、ケース板バネ部材30を端子台31と一体化することにより、ケース板バネ部材を別個に作成した場合と比べて、ケース板バネ部材を取り付けるための工程を省略でき、モジュールのコストを下げることが可能である。
【0044】
(実施の形態4)
図9は本発明の実施の形態4による光モジュールの構成を示しており、フェルール中のファイバに含む垂直面で切断した場合の断面図である。
【0045】
本実施の形態においては、ケース板バネ部材40の中間部にクランク状折り曲げ部40aが形成され、ケース板バネ部材40の弾性率は光導波路基板1やフェルール2よりも低く設定されている。
【0046】
ケース板バネ部材40の一端側はレセプタクル・スリーブ13に接着剤16によって接着固定され、他端側は接着剤16によって端子台41に接着固定されている。また、光導波路基板1やフェルール2の下側にはケース下側部品42が設けられ、このケース下側部品42の一側は端子台41に接着剤16によって固定されているが、他端側はレセプタクル・スリーブ13には固定されておらず、レセプタクル・スリーブ13とケース下側部品42間は滑りを許す構造となっている。
【0047】
本実施の形態の場合も、温度変化により光導波路基板1やフェルール2が熱膨張したときに、ケース板バネ部材40がクランク状折り曲げ部40aの所で引き伸ばされるので、光導波路基板1やフェルール2に作用する熱応力を緩和することができる。また、プラグの挿入・引き抜き時の荷重がクランク状折り曲げ部40aで吸収されるので、光導波路基板1やフェルール2に過大な荷重がかかるのを防ぐこともできる。
【0048】
また、実施の形態1〜3の場合のように凸状または凹状の折り曲げ部を設けると、ケース板バネ部材の伸縮時に曲げ力が生じ、光導波路基板1やフェルール2に曲げモーメントが働くことになるが、本実施の形態においては、クランク状折り曲げ部40aであるので、ケース板バネ部材伸縮時の曲げ力が小さく、光導波路基板1やフェルール2に作用する曲げモーメントを小さくすることが可能である。
【0049】
ケース板バネ部材としては図10に示すような断面形状のものでもよい。
【0050】
同図(a)は曲線的な折り曲げ形状で変形しやすい部分を作っている。同図(b)は上面向きと下面向きにそれぞれ凸形状を設けることにより、変形時の曲げモーメントの発生を軽減している。同図(c)は上下方向への凸形状の屈曲を連続して行うことにより、(b)より曲げの個所を一箇所減らしている。同図(d)はケース板バネ部材の一部分を特に薄くすることにより、変形しやすい部分を集中させている。
【0051】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱膨張によって光導波路基板やフェルールが伸縮しても、その伸縮が吸収されるため、光導波路基板やフェルールが撓むのを防ぐことができる。その結果、環境温度変化に対する特性変化が小さいレセプタクル型光モジュールを実現することができる。
【0052】
また、折り曲げ部を有する板バネ部材を設けるだけでよいから、レセプタクル型光モジュールを安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態1によるレセプタクル型光モジュールの垂直断面図である。
【図2】図1に示したレセプタクル型光モジュールの水平断面図である。
【図3】図1に示したレセプタクル型光モジュールでケース板バネ部材が変形した状態の断面図である。
【図4】ケース板バネ部材を有するリードフレームの上面概観図である。
【図5】本発明の実施の形態2によるレセプタクル型光モジュールの垂直断面図である。
【図6】図5に示したレセプタクル型光モジュールでケース側壁の一面をはがした状態の斜視図である。
【図7】放熱性を高めた構造のレセプタクル型光モジュールの斜視図である。
【図8】本発明の実施の形態3によるレセプタクル型光モジュールの垂直断面図である。
【図9】本発明の実施の形態4によるレセプタクル型光モジュールの垂直断面図である。
【図10】ケース板バネ部材の形状例を示した断面図である。
【符号の説明】
1 光導波路基板
1a 光導波路
1b ピット部
2 フェルール
3 ケース板バネ部材
3a 凸状折り曲げ部
4a 半導体レーザ素子(LD)
4b モニタ用フォトダイオード(モニタPD)
4c 受光用フォトダイオード(PD)
5 ボンディングワイヤ
6 光ファイバ
7 樹脂
8 フェルール固定具
9 電気信号ピン
12 割スリーブ
13 レセプタクル・スリーブ
14 リードフレーム
15 ダイパッド
16 接着剤
17 端子台
18 ケース上側部品
20 ケース板バネ部材
20a 凸状折り曲げ部
21 端子台
22 ケース下側部品
30 ケース板バネ部材
30a 凹状折り曲げ部
31 端子台
32 ケース上側部品
40 ケース板バネ部材
40a クランク状折り曲げ部
41 端子台
42 ケース下側部品
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical module used in optical communication, and more particularly to an optical module including a receptacle that is optically coupled to the outside through a PC connection (spherical connection).
[0002]
[Prior art]
As a well-known example of a receptacle-type optical module in which a semiconductor optical device is mounted on an optical waveguide substrate and optically coupled to the outside through a PC connection, a paper on the 1997 IEICE General Conference Proceedings Electronics 1: SC-3-1 The optical waveguide modules described are known.
[0003]
This optical waveguide module according to the prior art realizes optical multiplexing / demultiplexing circuits for wavelength division multiplexing communication with an optical waveguide on a Si substrate, and the end face is PC-polished for optical signal input / output to / from the outside. A receptacle using a ferrule (spherical polishing) is provided.
[0004]
The plug-side ferrule inserted into the receptacle is also PC-polished, and both ferrules are aligned with each other by the split sleeve. After inserting the plug into the receptacle, the plug-side ferrule is moved to the receptacle side by the spring force in the plug. Both ferrules are PC-connected by being pressed against the ferrule.
[0005]
The module-side ferrule is firmly fixed to the module case so that the load due to the spring force at the time of connection is not transmitted to the inside of the module. A fiber strand protrudes short from the side of the ferrule that is not PC-polished, and the fiber strand end face is bonded and fixed in a state where it is optically coupled to the exposed portion of the optical waveguide on the end face of the optical waveguide substrate. For optical coupling with this fiber or optical element, the optical waveguide substrate is fixed at both ends to a box-shaped ceramic case via an optical coupling unit or the like.
[0006]
The optical element is mounted on both ends of the case, and is electrically connected to the electric signal terminal in the case in the vicinity thereof. The case is fixed to the electric board by fixing the electric signal terminal to a pad on the electric board. . Here, since the optical waveguide substrate is fixed to the case at both ends thereof, thermal stress is generated when the environmental temperature changes due to the difference in the linear expansion coefficient between the two. This can be mitigated by selecting a case material that has a linear expansion coefficient close to that of the optical waveguide substrate. However, the optical waveguide substrate itself is bent by utilizing the fact that the optical waveguide substrate is fixed only at both ends. It is relaxed by deforming.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, there are the following problems in the prior art. First, the characteristic change with temperature of the module becomes large. Since the optical waveguide uses the refractive index difference to confine light in the optical waveguide and propagates, the refractive index distribution changes and the optical characteristics change when the member is affected by stress or deformation. When the module is placed in a high or low temperature environment, stress is generated due to the difference in the coefficient of linear expansion between the case material and the optical waveguide substrate, but the case material is fixed to the electrical substrate and is Since it is difficult to deform, the stress is relieved by the deformation of the optical waveguide substrate. Due to the deformation of the optical waveguide substrate, the optical characteristics of the optical waveguide change, and as a result, the temperature characteristic change of the module increases. This narrows the usable temperature range of the module.
[0008]
The second problem is the problem of heat dissipation. In order to alleviate the first problem caused by the difference in linear expansion coefficient between the optical waveguide substrate and the case material, a linear expansion coefficient close to Si, SiO 2 , glass or the like, which is the material of the optical waveguide substrate, is used as the case material. Alloys such as 42 alloy and ceramics such as alumina are used, but the thermal conductivity of these materials is relatively small at around 30 W / (m · K), which increases the thermal resistance of the entire module. Therefore, when an element that generates a large amount of heat, such as an LD (Laser Diode; hereinafter abbreviated as LD) or an amplifier IC, is mounted inside the module, it is difficult to dissipate the internal heat to the outside and the temperature inside the module tends to rise .
[0009]
If the temperature of the module rises and the internal elements can not dissipate heat, there is a high possibility that the oscillation of the LD will become unstable or the IC will run out of heat. Increase the number of connection pins to attach to the module or dissipate heat through the electric board on which the module is mounted, or attach a heat transfer material such as heat transfer grease or heat transfer sheet to the bottom of the module to make it closely contact the electric board. Means are required, resulting in high costs.
[0010]
For the above reasons, it has been difficult to inexpensively manufacture an optical module that excels in high durability against environmental temperature changes with the conventional technology.
[0011]
An object of the present invention is to provide a receptacle-type optical module that has a small characteristic change with respect to an environmental temperature change and can be manufactured at low cost.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides an optical waveguide substrate on which an optical element is formed and an optical element optically coupled to the optical waveguide is mounted, an optical fiber is provided inside, and one end of the optical waveguide substrate is provided. In a receptacle-type optical module, comprising: a ferrule fixed in contact with an optical waveguide; an optical connector plug fixed to the ferrule and inserted from the outside; and a receptacle portion that couples the other end of the ferrule. One end side is fixed to the terminal block to which the optical waveguide substrate is attached, and a leaf spring member fixed to the waveguide substrate and the other end side is fixed to the receptacle portion, and a bent portion is formed in the middle portion, and the other end side Is provided with a case member having a sliding structure only in contact with the receptacle portion.
[0015]
According to the above configuration, when the optical waveguide substrate or ferrule expands or contracts due to thermal expansion, the case member slides with the other end in contact with the receptacle portion, and the bent portion of the leaf spring member expands or contracts. No thermal stress is applied to the ferrule. As a result, the bending of the optical waveguide substrate and the ferrule can be suppressed, and the change in optical characteristics with respect to the temperature change of the module can be reduced.
[0016]
The plate spring member, a thermal conductivity of 50W / (K · m) or more Cu or Cu-based alloy, or may be formed in a linear expansion coefficient of 10 × 10 ~ 6 / K or less of Fe-Ni alloy . In this case, the thickness of the leaf spring member is preferably 0.5 mm or less. If comprised in this way, it will become possible to perform the stable operation | movement in a wider environmental temperature range, without auxiliary means, such as a radiation fin.
[0017]
The leaf spring member may be formed as a die pad on a lead frame for forming an electrical signal pin of the module. If comprised in this way, a process can be reduced and cost reduction can be aimed at.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0019]
(Embodiment 1)
1 and 2 show the configuration of an optical module according to the present invention. FIG. 1 is a cross-sectional view taken along a vertical plane including a fiber in a ferrule, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along a horizontal plane. is there. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state where the case plate spring member is deformed, and FIG. 4 is a schematic top view of the lead frame having the case plate spring member.
[0020]
1 and 2, the optical waveguide substrate 1 has a quartz optical waveguide 1a formed on a base Si or quartz substrate. On the optical waveguide substrate 1, a reinforcing material made of a material having an expansion coefficient close to that of the optical waveguide 1 a such as Pyrex glass is bonded to increase the bonding area with the ferrule 2 and protect the vicinity of the bonding portion. Further, at the end of the optical waveguide substrate 1, pits 1b provided with electrical wiring for mounting a semiconductor optical device are provided. The height of the pit 1b is set so that an LD (semiconductor laser element) 4a and a light receiving photodiode (hereinafter abbreviated as PD) 4c mounted thereon can be optimally optically coupled to the optical waveguide 1a.
[0021]
The LD 4a, the monitor photodiode (hereinafter abbreviated as monitor PD) 4b, and PD 4c are mounted on the electrical wiring provided on the pit 1b by soldering, but the LD 4a and PD 4c avoid light reflection at the element end face. For this reason, the optical waveguide 1a is mounted such that the end surface is inclined with respect to the optical axis. Since the optical waveguide substrate 1 itself is electrically wired by wire bonding and efficiently dissipates the heat of the LD 4a that is a heating element, it also serves as the case leaf spring member 3 near the lower surface of the pit portion 1b on which the LD 4a is mounted. It is bonded to the die pad 15 (see FIG. 4). Reference numeral 5 denotes a bonding wire.
[0022]
The ferrule 2 is cylindrical and formed of glass or ceramic such as zirconia, and a fiber 6 for transmitting an optical signal is bonded and fixed therein. The entire length of the fiber 6 is built in the ferrule 2. If comprised in this way, the damage of the fiber 6 at the time of an assembly can be reduced significantly. Further, both end faces of the fiber 6 can be processed together with the ferrule 2, and the processing cost can be reduced.
[0023]
Of both end faces of the ferrule 2 incorporating the fiber 6, the end face 2a on the side bonded to the optical waveguide substrate 1 and optically coupled to the optical waveguide 1a is polished obliquely in order to suppress reflection at the end face. The polishing angle is preferably about 8 degrees with respect to the vertical plane. Further, the end surface on the optical waveguide substrate 1 side is similarly obliquely polished, but the polishing angle is opposite to that of the ferrule 2 in order to make the optical axis, that is, the traveling direction of the optical signal coincide. The polishing angle is preferably about -8 degrees with respect to the vertical plane. Thus, the end surfaces of the ferrule 2 and the optical waveguide substrate 1 are obliquely polished, so that the reflected light returns to the fiber 6 and the optical waveguide 1a for both the optical signal from the ferrule 2 and the optical signal from the LD 4a side. The operational stability of the module can be increased.
[0024]
The ferrule 2 and the optical waveguide substrate 1 are bonded with an adhesive. This adhesive has a high light transmittance in the range of 0.78 to 1.55 μm used for optical signals, particularly in the vicinity of 0.78, 1.3, or 1.55 μm according to the specifications of the module. Therefore, it is required that the curing time is short, the curing shrinkage is small to prevent misalignment during curing, and the durability is high to maintain the optical coupling over a long period of time. UV curable resin is used.
[0025]
The opposite end surface 2b of the ferrule 2 constitutes a part of a receptacle for inputting / outputting optical signals to / from the outside, so that the end surface is PC polished (spherical polished). Further, a ferrule of an optical signal input / output plug (not shown) inserted from the outside is also PC polished. The ferrule on the plug side has the same diameter as the ferrule 2, and the ferrules are aligned by the split sleeve 12 when the plug is inserted. After the insertion, the plug is fixed by the pawl of the receptacle sleeve 13, an appropriate load is applied to the ferrule by the spring in the plug, and the two ferrules are PC-connected. As described above, FC-type, SC-type, and MU-type connectors are commonly used as optical communication connectors that are PC-connected with a spring load.
[0026]
The ferrule 2 is fixed to the receptacle sleeve 13 by a ferrule fixture 8. Further, the ferrule fixture 8 and the receptacle sleeve 13 constitute a receptacle part.
[0027]
By the way, the LD 4a generates a large amount of heat, and the heat causes the optical waveguide substrate 1 and the ferrule 2 to thermally expand, and thermal stress tends to act on the inside of the optical waveguide substrate 1 and the ferrule 2.
[0028]
In the present embodiment, one end side of the case leaf spring member 3 is bonded and fixed to the receptacle sleeve 13 with the adhesive 16, and the other end side of the case leaf spring member 3 is bonded and fixed to the optical waveguide substrate 1 with the adhesive 16. Yes. A convex bent portion 3 a is formed at an intermediate portion of the case leaf spring member 3, and the elastic modulus is set lower than that of the optical waveguide substrate 1 and the ferrule 2. The case upper part 18 that covers the optical waveguide substrate 1 and the ferrule 2 from above is fixed to the terminal block 17 provided on the pit portion 1 b side of the optical waveguide substrate 1, but is fixed to the receptacle sleeve 13. The structure is such that the receptacle sleeve 13 and the case upper part 18 are allowed to slide.
[0029]
With this configuration, when the optical waveguide substrate 1 or the ferrule 2 is thermally expanded due to a temperature change, the case leaf spring member 3 is stretched at the convex bent portion 3a, so that the optical waveguide substrate 1 or the ferrule 2 The thermal stress which acts can be relieved. This is shown in FIG. In FIG. 3, in order to clearly show the relaxation of the thermal stress by the case leaf spring member 3, the state of deformation of the convex bent portion 3a is exaggerated.
[0031]
Thus, since the influence of the thermal stress can be reduced by the case leaf spring member 3, the module having such a structure can have a wider operating temperature range, and the durability can be improved.
[0032]
The case leaf spring member 3 can be manufactured together with the lead frame 14 as shown in FIG. The lead frame 14 generally used in a semiconductor package or the like has a thickness of about 0.25 mm and is used as it is or after being plated with a Fe—Ni alloy such as 42 alloy, a Cu simple substance, or a Cu alloy. In this case, the die pad 15 in the lead frame 14 is made larger than a normal one, cut out together with other electric signal pins 9 when the terminal block 17 is formed, and is bent at the position of the convex bent portion 3a. It can be formed as a member. As the material, the Fe-Ni alloy has a linear expansion coefficient closer to that of the optical waveguide substrate material such as Si and glass, so that the generated thermal stress itself can be suppressed. However, since the heat conductivity is high, it is possible to efficiently dissipate the heat generated by the LD and the amplifier IC. Therefore, it is necessary to select an appropriate material based on the heat generation amount and the usage environment. In FIG. 4, the shaded portion is a portion that is cut during the forming process.
[0033]
(Embodiment 2)
5 and 6 show the configuration of the optical module according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 5 is a cross-sectional view taken along a vertical plane included in the fiber in the ferrule, and FIG. 6 shows the case side wall of the optical module. It is a perspective view of the state which peeled one side.
[0034]
In the present embodiment, contrary to the case of the first embodiment, the case leaf spring member 20 is provided on the upper surface side of the optical waveguide substrate 1 and the ferrule 2 to constitute the upper surface of the module case. The case plate spring member 20 has a convex bent portion 20 a formed in the middle thereof, and has a lower elastic modulus than the optical waveguide substrate 1 and the ferrule 2. One end side of the case leaf spring member 20 is bonded and fixed to the receptacle sleeve 13 with an adhesive 16, and the other end side is bonded and fixed to the terminal block 21 with the adhesive 16. In addition, a case lower part 22 is provided on the lower side of the optical waveguide substrate 1 and the ferrule 2, and one side of the case lower part 22 is fixed to the terminal block 21 with the adhesive 16. Is not fixed to the receptacle sleeve 13 and has a structure that allows slipping between the receptacle sleeve 13 and the case lower part 22.
[0035]
With this configuration, when the optical waveguide substrate 1 or the ferrule 2 is thermally expanded due to a temperature change, the case leaf spring member 20 is stretched at the convex bent portion 20a, so that the optical waveguide substrate 1 or the ferrule 2 The thermal stress which acts can be relieved. Moreover, the load at the time of insertion / extraction of the plug is absorbed by the convex bent portion 20a of the case leaf spring member 20, and it is possible to prevent an excessive load from being applied to the optical waveguide substrate 1 and the ferrule 2.
[0036]
The electric signal pins 9 are provided so as to extend from the terminal block 21 toward the case lower part 19. When an optical module having electrical signal pins such as DIL type and grid array type in a semiconductor package is attached to an electrical board or IC socket, a load is applied to insert the electrical signal pins into a hole or IC socket on the electrical board. Although it is necessary, in this embodiment, by pushing the back of the terminal block 21 with the electric signal pin 9, the electric signal pin 9 can be efficiently operated without applying unnecessary force to other parts of the module. Thus, downward force can be applied, and the possibility of module damage during installation can be reduced.
[0037]
In addition, heat generated from the mounted optical element or IC chip is not only heat radiated by heat conduction from the electric signal pins 9 but also heat radiated from the case leaf spring member 20 into the air. In the present embodiment, the case leaf spring member 20 is provided on the upper surface side, so that heat can be efficiently radiated into the air.
[0038]
In addition, in order to increase the heat radiation area from the case leaf | plate spring member 20, it can also comprise as FIG. In FIG. 7, convex bent portions 20 a are formed at three places on the case leaf spring member 20. The area increases as the number of convex bent portions 20a increases, and the heat dissipation from the case leaf spring member 20 is improved as compared with the case of FIG. The convex bent portion 20a may be at two places, or at four or more places.
[0039]
(Embodiment 3)
FIG. 8 shows a configuration of an optical module according to Embodiment 3 of the present invention, and is a cross-sectional view when cut along a vertical plane included in a fiber in a ferrule.
[0040]
In the present embodiment, the case leaf spring member 30 is integrally formed of a resin material as a part of the terminal block 31. As the resin material, an epoxy resin or a liquid crystal polymer as a main material and a material having high thermal conductivity is preferable. The case plate spring member 30 has a concave bent portion 30 a formed in the middle thereof, and has a lower elastic modulus than the optical waveguide substrate 1 and the ferrule 2.
[0041]
One end side of the case leaf spring member 30 is bonded and fixed to the receptacle sleeve 13 with an adhesive 16, and the other end side is bonded and fixed to the terminal block 31 with the adhesive 16. Further, a case upper part 32 is provided to cover the optical waveguide substrate 1 and the ferrule 2 from above, and one side of the case upper part 32 is fixed to the terminal block 31 by the adhesive 16, while the other end side is a receptacle It is not fixed to the sleeve 13, and has a structure that allows sliding between the receptacle sleeve 13 and the case upper part 32.
[0042]
Also in the case of the present embodiment, when the optical waveguide substrate 1 or the ferrule 2 is thermally expanded due to a temperature change, the case leaf spring member 30 is stretched at the concave bent portion 30a. The thermal stress which acts can be relieved. Moreover, since the load at the time of plug insertion / removal is absorbed by the concave bent portion 30a, it is possible to prevent an excessive load from being applied to the optical waveguide substrate 1 and the ferrule 2.
[0043]
In addition, according to the present embodiment, the case leaf spring member 30 is integrated with the terminal block 31, and the process for attaching the case leaf spring member is compared with the case where the case leaf spring member is separately created. This can be omitted, and the cost of the module can be reduced.
[0044]
(Embodiment 4)
FIG. 9 shows a configuration of an optical module according to Embodiment 4 of the present invention, and is a cross-sectional view when cut along a vertical plane included in a fiber in a ferrule.
[0045]
In the present embodiment, a crank-shaped bent portion 40 a is formed in the middle portion of the case leaf spring member 40, and the elastic modulus of the case leaf spring member 40 is set lower than that of the optical waveguide substrate 1 and the ferrule 2.
[0046]
One end side of the case leaf spring member 40 is bonded and fixed to the receptacle sleeve 13 with the adhesive 16, and the other end side is bonded and fixed to the terminal block 41 with the adhesive 16. A case lower part 42 is provided below the optical waveguide substrate 1 and the ferrule 2, and one side of the case lower part 42 is fixed to the terminal block 41 by the adhesive 16. Is not fixed to the receptacle sleeve 13, and has a structure that allows slipping between the receptacle sleeve 13 and the case lower part 42.
[0047]
Also in the case of the present embodiment, when the optical waveguide substrate 1 and the ferrule 2 are thermally expanded due to a temperature change, the case leaf spring member 40 is stretched at the crank-shaped bent portion 40a, so that the optical waveguide substrate 1 and the ferrule 2 are expanded. The thermal stress acting on can be relaxed. Further, since the load at the time of plug insertion / extraction is absorbed by the crank-shaped bent portion 40a, it is possible to prevent an excessive load from being applied to the optical waveguide substrate 1 and the ferrule 2.
[0048]
Further, when a convex or concave bent portion is provided as in the first to third embodiments, a bending force is generated when the case leaf spring member is expanded and contracted, and a bending moment acts on the optical waveguide substrate 1 and the ferrule 2. However, in the present embodiment, since it is the crank-shaped bent portion 40a, the bending force when the case leaf spring member expands and contracts is small, and the bending moment acting on the optical waveguide substrate 1 and the ferrule 2 can be reduced. is there.
[0049]
The case leaf spring member may have a cross-sectional shape as shown in FIG.
[0050]
FIG. 2A shows a portion that is easily deformed by a curved bent shape. In FIG. 5 (b), the occurrence of a bending moment at the time of deformation is reduced by providing convex shapes respectively on the upper surface and the lower surface. In FIG. 8C, the bent portion is continuously reduced from the position shown in FIG. FIG. 4D concentrates the portion that is easily deformed by making a part of the case leaf spring member particularly thin.
[0051]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, even if the optical waveguide substrate or ferrule expands or contracts due to thermal expansion, the expansion or contraction is absorbed, so that the optical waveguide substrate or ferrule can be prevented from bending. As a result, it is possible to realize a receptacle type optical module that has a small characteristic change with respect to environmental temperature changes.
[0052]
Further, since it is only necessary to provide a leaf spring member having a bent portion, the receptacle type optical module can be manufactured at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a vertical sectional view of a receptacle-type optical module according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a horizontal sectional view of the receptacle type optical module shown in FIG.
3 is a cross-sectional view of a state in which a case leaf spring member is deformed in the receptacle type optical module shown in FIG.
FIG. 4 is a schematic top view of a lead frame having a case leaf spring member.
FIG. 5 is a vertical sectional view of a receptacle type optical module according to a second embodiment of the present invention.
6 is a perspective view of the receptacle-type optical module shown in FIG. 5 with one surface of a case side wall peeled off. FIG.
FIG. 7 is a perspective view of a receptacle type optical module having a structure with improved heat dissipation.
FIG. 8 is a vertical sectional view of a receptacle type optical module according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a vertical sectional view of a receptacle type optical module according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example of the shape of a case leaf spring member.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical waveguide board | substrate 1a Optical waveguide 1b Pit part 2 Ferrule 3 Case leaf | plate spring member 3a Convex bending part 4a Semiconductor laser element (LD)
4b Photodiode for monitor (Monitor PD)
4c Light-receiving photodiode (PD)
5 Bonding wire 6 Optical fiber 7 Resin 8 Ferrule fixture 9 Electrical signal pin 12 Split sleeve 13 Receptacle sleeve 14 Lead frame 15 Die pad 16 Adhesive 17 Terminal block 18 Case upper part 20 Case leaf spring member 20a Convex bent part 21 Terminal Base 22 Case lower part 30 Case plate spring member 30a Concave bent part 31 Terminal block 32 Case upper part 40 Case plate spring member 40a Crank-like bent part 41 Terminal block 42 Case lower part

Claims (5)

光導波路が形成され且つ該光導波路と光結合した光素子が搭載された光導波路基板と、内部に光ファイバが設けられ一端が前記光導波路基板の光導波路に接触固定されたフェルールと、前記フェルールに固定され外部より挿入される光コネクタ用プラグと前記フェルールの他端とを結合するレセプタクル部と、を備えたレセプタクル型光モジュールにおいて、一端側が前記光導波路基板に固定され他端側が前記レセプタクル部に固定されて、且つ中間部に折り曲げ部が形成された板バネ部材と、前記光導波路基板が取り付けられた端子台に一端側が固定され、他端側は前記レセプタクル部に当接しただけの滑り構造を成したケース部材と、を備えたことを特徴とするレセプタクル型光モジュール。An optical waveguide substrate on which an optical element is formed and on which an optical element optically coupled with the optical waveguide is mounted; an optical fiber provided therein; one end of which is fixed in contact with the optical waveguide of the optical waveguide substrate; and the ferrule A receptacle-type optical module having an optical connector plug fixed to the outside and a receptacle part for coupling the other end of the ferrule, and one end side is fixed to the optical waveguide substrate and the other end side is the receptacle part One end side is fixed to a terminal block to which the optical waveguide substrate is attached, and a leaf spring member that is fixed to the intermediate portion and a bent portion is formed in the middle portion, and the other end side is a slip that abuts only on the receptacle portion. A receptacle-type optical module comprising: a case member having a structure. 請求項1に記載のレセプタクル型光モジュールにおいて、前記板バネ部材は、熱伝導率50W/(K・m)以上のCuまたはCu系合金で形成されていることを特徴とするレセプタクル型光モジュール。  2. The receptacle-type optical module according to claim 1, wherein the leaf spring member is made of Cu or a Cu-based alloy having a thermal conductivity of 50 W / (K · m) or more. 請求項1に記載のレセプタクル型光モジュールにおいて、前記板バネ部材は、線膨張係数10×10~6/K以下のFe−Ni系合金で形成されていることを特徴とするレセプタクル型光モジュール。In a receptacle type optical module according to claim 1, wherein the plate spring member, a receptacle type optical module, characterized by being formed by a linear expansion coefficient of 10 × 10 ~ 6 / K or less of Fe-Ni based alloy. 請求項1〜3のいずれかに記載のレセプタクル型光モジュールにおいて、前記板バネ部材は、厚さが0.5mm以下であることを特徴とするレセプタクル型光モジュール。  The receptacle-type optical module according to any one of claims 1 to 3, wherein the leaf spring member has a thickness of 0.5 mm or less. 請求項1〜4のいずれかに記載のレセプタクル型光モジュールにおいて、前記板バネ部材は、モジュールの電気信号ピンを形成するためのリードフレームにダイパッドとして形成されていることを特徴とするレセプタクル型光モジュール。  5. The receptacle-type optical module according to claim 1, wherein the leaf spring member is formed as a die pad on a lead frame for forming an electrical signal pin of the module. module.
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