JP4675377B2 - 光送受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザダイオード及びフォトダイオード（ＬＤ・ＰＤ）一体型モジュールを内蔵した光送受信装置に関し、特に電気的及び電磁的クロストークの低減が可能な光送受信装置の構造に関する。

ＦＴＴＨ（Fiber to the Home）技術の急速な普及により、一般家庭においても手軽にインターネット常時接続が可能になってきている。これに伴って、従来高価であった光加入者終端装置（光送受信装置）の小型化及び低価格化（低コスト化）が促進されている。

従来、光（光信号）送信用のレーザダイオードＬＤと、光受信用のフォトダイオードＰＤとをそれぞれ別個のモジュールとしたものが主流であったため、光送受信装置自体も大形化していた。

このような点から、一芯双方向光ファイバ（光ファイバケーブル）を終端する小形のＬＤ・ＰＤ一体型モジュールも提案されている（特許文献１）。このような一芯双方向ＬＤ・ＰＤモジュールでは、金属板を箱状に加工した金属筐体にＬＤ・ＰＤモジュールを収納していた。

ところで、このようなＬＤ・ＰＤ一体型モジュールでは、ＬＤモジュール及びＰＤモジュールの各ＣＡＮパッケージは、レーザ溶接等の接着技術により、金属筐体に電気的に接続され、グランドが共通となる構造となっている。

しかし、ＬＤモジュールを高周波で駆動（ＬＤ変調）した際に、ＬＤ及びＰＤの各光デバイスのリードピンや内部構成部品が有する浮遊容量（Ｃｆ）、更には金属筐体部分の浮遊インダクタンス（Ｌｆ）等の寄生的な効果によって、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールのグランド（ＧＮＤ）は理想的なグランドとならない。

このため、一体型モジュールの送信側（発光側）及び受信側（受光側）間に電気的クロストークパスが形成されるとともに、電磁ノイズ（電磁的クロストーク）が発生することで、受信感度劣化の要因となっていた。このような電気的クロストークの発生メカニズムを図１１に例示している。

この対策として、ＬＤ・ＰＤモジュールを装着した回路基板を金属ケースに収容し、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールの金属筐体と金属ケースとを固定して電気的に接触させることで、グランド電位を安定させることが考えられていた。
［特許文献１］特開２０００−１８０６７１号公報
［特許文献２］特開平０６−１３８３４７号公報
［特許文献３］特開２００１−２６８０２０号公報

しかし、金属ケースは光送受信装置全体が大形化してしまい、さらに金属ケースの加工工程が煩雑であり、重量があり、かつ金属板の材料費が嵩むといった問題が指摘されていた。

そのため、小形化が可能で、加工が容易で、軽量で、安価なプラスチックケースにＬＤ・ＰＤモジュールを収納した光送受信装置が提案されてきている。

ところが、プラスチックケースにＬＤ・ＰＤモジュールを収納した場合、電気的及び電磁的クロストークの問題が再浮上することになる。すなわち、それぞれ金属筐体に収納されたＬＤ・ＰＤ一体型モジュールがプラスチックケースに固定される構造であるため、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールのグランドは理想的なグランドとならず、送受信側間の電気的クロストークパスが形成されるとともに、電磁ノイズ（電磁的クロストーク）が発生し、受信感度が劣化するという上記問題が再燃したのである。

本発明は、この問題に鑑みてなされたものであり、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールをプラスチックケースに収納した構造を維持しつつ、電気的クロストーク及び電磁的クロストークの抑制が可能な光送受信装置を提供することを技術的課題とする。

上記課題を解決するために、（１）本発明の光送受信装置は、一芯双方向型光ファイバを終端するＬＤ・ＰＤ一体型モジュールと、前記ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールから導出されたリードピンに電気的に接続された回路基板と、前記回路基板を収容する導電性フィラーの混入によりインピーダンス制御されたプラスチックケースとで構成して、前記プラスチックケースの少なくとも一部を前記ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールと当接するようにしたものである。

このように、プラスチックケースに導電性フィラーを混入しインピーダンス制御を行ったプラスチックケースと、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールとを当接させることで、電気的クロストークパスを形成するインダクタンス成分に対して、抵抗成分を並列に接続することになる。これにより、インダクタンス成分による共振に対してダンピング効果を持たせることで、電気的クロストーク及び電磁的クロストークを抑制することができる。

（２）上記光送受信装置において、前記ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールは金属筐体を有した構成としてもよい。このような金属筐体が前記導電性フィラーの混入されたプラスチックケースに当接されて接触状態を維持することにより、さらにダンピング効果を得ることが可能となる。

（３）また、導電性のバネ材を付加して、このバネ材の脚部を前記プラスチックケースの底部に係合するようにし、前記脚部に連設された平板部が前記金属筐体の表面に接触しながら前記プラスチックケースの底部方向に前記金属筐体を付勢するようにしてもよい。このような導電性のバネ材により、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールのプラスチックケースへの電気的パスを確実に確保するとともに、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールの固定を確実に行うことが可能となる。

（４）さらに、この導電性のバネ材の平板部を、前記金属筐体の表面に向かって谷状に折曲させてバネ性を有するようにしてもよい。

（５）さらに、このバネ材にリード板を設けて回路基板のグランド端子または電源端子に接続してもよい。これにより、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールの金属筐体の電位がグランドの場合、回路基板のグランド端子に確実にアースされることになりグランド電位が安定し、金属筐体の電位が電源の場合には、電源が仮想グランドとなるため電位が安定する。

（６）バネ材を回路基板に接続する形態としては、バネ材に設けたリード板を表面実装部品形状（ＳＭＤ）として加工性を図ることが可能となる。

（７）また、バネ材に設けたリード板を挿入部品形状（ＩＭＤ）とし、回路基板にてグランドまたは電源と接続されたスルーホールへ接続することにより、回路基板内層のグランド層または電源層と接続を増やすことにより、更にローインピダンス化することが可能となり、電位が更に安定する。

（８）前記光送受信装置は、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールの一端からは光ファイバが導出される構造とし、前記導電性フィラーを混入したプラスチックケースを底部と側壁部とで構成し、このプラスチックケースにおいて、前記光ファイバの導出部分は前方に側壁部を開口し、該開口縁から導出方向に突出したスリーブを設けてもよい。このように、光ファイバの導出部分にプラスチックケースから突出され、導電性フィラーが混入されたスリーブが設けられていることにより、特に、この導出部分における電磁的クロストークが抑制される。

（９）上記（１）における光送受信装置は、プラスチックケースに導電性フィラーを混入する構成であるが、導電性フィラーを混入しインピーダンス制御されたプラスチック材をＬＤ・ＰＤ一体型モジュールにコーティングしたものを用いてもよい。

本発明によれば、導電性フィラーの混入によりインピーダンス制御されたプラスチックケースに回路基板を収容するとともに、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールをこのプラスチックケースに当接させることにより、小形、加工容易、軽量かつ低コストなプラスチックケースにおいても、電気的及び電磁的クロストークを抑制することができる。

本発明の他の課題、特徴及び利点は、図面及び併記の請求の範囲とともに取り上げられる際に、以下に記載される明細書（実施の形態）を読むことにより明らかになるであろう。

本発明の一実施形態の光送受信装置の平面図。 バネ材の取付け手順を示す一部断面で示した正面図。 光送受信装置の側面方向からの断面図。 ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールの取付構造を示す側面方向の一部断面図。 バネ材の側面図。 ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールの内部構造の説明図。 実験例の結果を示す図。 ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールの他の取付構造を示す側面方向の一部断面図。 導電性フィラーの含有率と体積抵抗率と合成樹脂の流動性との関係を示す図。 導電性フィラーの含有率によるクロストーク改善効果とケースの加工性との関係を示す図。 電気的クロストークの発生メカニズムを示す図。 電気的クロストークの抑制メカニズムを示す図。

符号の説明

１ 光送受信装置
２ 回路基板
３ ＬＤ・ＰＤ一体型モジュール
４ プラスチックケース
５ 金属筐体
６ 光ファイバ
７ フェルール
８ ＰＤモジュール
９ ランド
１０ レンズ
１１ ＷＤＭフィルタ
１２ ＰＤ素子
１３ 素子取付基板
１４ リードピン
１５ ＬＤモジュール
１６ ＬＤ素子
１７ 側壁部
１８ 底部
２０ 爪部
２１ 突起爪
２２ バネ材
２３ 脚部
２４ 係合爪
２５ バネ本体
２６ リード板
２７ スリーブ

以下、添付図面を参照して、本発明についてさらに詳細に説明する。図面には本発明の好ましい実施形態が示されている。しかし、本発明は、多くの異なる形態で実施されることが可能であり、本明細書に記載される実施形態に限定されると解釈されてはならない。むしろ、これらの実施形態は、本明細書の開示が徹底的かつ完全となり、当業者に本発明の範囲を十分に伝えるように提供される。

［光送受信装置の構成］
本発明の一実施形態を示す図１を参照すると、光送受信装置１は、回路基板２にレーザダイオード及びフォトダイオード（ＬＤ・ＰＤ）一体型モジュール３が装着され、該回路基板２が上面を開放され側壁部と底部とを備えるプラスチックケース４に収容された構成を有している。

［ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールの構成］
図６に示すように、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュール３は、金属筐体５を有しており、該金属筐体５の長手方向一端面は一芯双方向型光ファイバ６の端部に取り付けられたセラミック等からなるフェルール７が挿入されている。該金属筐体５内のフェルール７の対向部には、プリズム形の波長合分波カプラであるＷＤＭフィルタ（Wavelength Division Multiplexing Filter）１１が設けられ、光ファイバ６から光軸に対して垂直方向には光ファイバ６からの受信波長（たとえば、入射光λ＝１．５５μｍ）を９０度方向に反射して受信するＰＤモジュール（Photo Diode Module）８で受光させるようになっている。

ＰＤモジュール８はＣＡＮパッケージ構造を有しており、レンズ１０を介して焦点距離が制御されたＷＤＭフィルタ１１からの受信光を内部のフォトダイオード（ＰＤ）素子１２が受光するようになっている。ＰＤ素子１２はＣＡＮパッケージの素子取付基板１３には、ＰＤ素子１２単体、またはＰＤ素子１２と等価増幅回路（ＴＩＡ：トランスインピーダンスアンプ）とを組合せた形態で取り付けられており、該基板１３からは電源用、グランド（ＧＮＤ）用、及び電気信号出力用のリードピン１４が導出されており、このリードピン１４の先端が回路基板２のランド９に半田付けされており、光電気変換された電気信号が回路基板２に出力される。

一方、ＷＤＭフィルタ１１の反フェルール方向の光軸上には、ＬＤモジュール（Laser Diode Module）１５が配置されている。ＬＤモジュール１５もＣＡＮパッケージの素子取付基板１３からは電源用、ＧＮＤ用、及び電流信号用のリードピン１４が導出され、リードピン１４の先端が回路基板２のランド９に半田付けされており、回路基板２からＬＤ素子１６を電流変調することによって電気光変換され、この射出光（たとえば、λ＝１．３μｍ）がレンズ１０及びＷＤＭフィルタ１１を介してフェルール７から光ファイバ６に射出される。

また、金属筐体５は、電気的にＰＤモジュール８のＣＡＮパッケージと、ＬＤモジュール１５のＣＡＮパッケージとのリードピン１４の各グランド端子に電気的に接続されている。

［プラスチックケースの構成］
プラスチックケース４は、たとえばポリマー系の合成樹脂で形成されており、カーボンからなる導電性フィラーが混入されている。当該導電性フィラーを混入したプラスチックケース４は、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュール３自体が有する共振周波数に対して、ダンピング効果が出るよう数Ωから数百Ω程度のインピーダンスを持たせる必要があることと、ケース型への充填し易さや加工性の面で材料流動性及びケース強度を考慮しなければならない。

図９は、導電性フィラーの含有率と第１軸に体積抵抗率との関係と、第２軸に導電性フィラーの含有率と成型加工時における一定圧力及び一定温度下での合成樹脂の流動性との関係とを示している。数Ωから数百Ω程度のインピーダンスを持たせるために、カーボンからなる導電性フィラーの場合、２０％〜３０％程度の導電性フィラーの添加が最適である。また、ケース金型への充填し易さや加工性の面からは、材料流動性を１．３g/min〜６ｇ/minとするのが目安である。ただし、加工条件や使用する導電性フィラー特性や導電性フィラーの繊維長により添加量は変わるため、この限りではない。

図１０は、導電性フィラー含有率によるクロストーク改善効果とケースの加工性との関係について示している。導電性フィラーの添加量が多いほど、当該プラスチックケース４はローインピーダンスとなるが、材料粘性が硬化し、成型時の加工性が悪くなる。逆に、導電性フィラーの添加量が少ないと、材料粘性が軟化し、成型時の加工性は良くなるが、ケースとしての強度を確保できなるとともに、ダンピング効果が出るよう数Ωから数百Ω程度のインピーダンスを持たせることができなくなる。

また、当該プラスチックケース４には、導電性フィラーの他に、ケースとしての強度を確保するために、ガラスフィラー等が別途混入されていてもよい。

プラスチックケース４は、図１及び図３に示すように、回路基板２の収納空間を隔成するように４つの側面に設けられた側壁部１７と、底部１８とで構成されている。側壁部１７の内部空間側には、上方から下方に行くに従って肉厚となる３箇所の爪部２０を有しており、回路基板２をケースの上面から底部１８方向に押し込むことによって脱落を抑止して固定可能となっている。

ＬＤ・ＰＤ一体型モジュール３に対応するプラスチックケース４の底部１８には、図４に示すような一対の突起爪２１が形成されており、一対の突起爪２１間にＬＤ・ＰＤ一体型モジュール３が位置決めされる。一対の突起爪２１には、バネ材２２の脚部２３に設けられた係合爪２４が係止される。

［バネ材の構成］
バネ材２２は、図５に示すように、下部が開放された断面コ字状に加工されており、平板状のバネ本体２５から垂直方向に折曲された一対の脚部２３の先端近傍には、互いに内側に突出された係合爪２４が設けられている。また、バネ本体２５の後端近傍からは両側方に翼状のリード板（表面実装部品形状ＳＭＤ）２６が水平方向に突出されている。

バネ本体２５の中央長手方向は谷状に微角（水平方向に３〜１０度）となる程度に折曲されている。

バネ材２２をプラスチックケース４に取り付ける場合には、図２に示すように、プラスチックケース４の突起爪２１にバネ材２２の脚部２３の係合爪２４を係止させるように上方より底部１８方向に押圧した後、リード板２６の先端を回路基板２のランド（グランド端子）９に半田付けする。このとき、上述したバネ本体２５の谷状微角加工によりＬＤ・ＰＤ一体型モジュール３がプラスチックケース４の底面（底部１８）に確実に固定されるとともに、モジュール３の金属筐体５とプラスチックケース４とが確実に電気的に接触される。

さらに、バネ本体２５の谷状微角加工によりＬＤ・ＰＤ一体型モジュール３とバネ材２２とが確実に電気的に接触状態を維持でき、バネ板のリード板２６を通じて回路基板２のグランド端子と確実に接続されるため、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュール３を理想グランドに近づけるとともに、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュール３の持つインダクタンス成分を低減させることができる。

［電気的クロストーク抑制メカニズム］
図１２に電気的クロストークの抑制メカニズムを示している。図１１を参照して上述したように、ＬＤモジュールを高周波で駆動（ＬＤ変調）した際に、ＬＤ及びＰＤの各光デバイスのリードピンや内部構成部品が有する浮遊容量（Ｃｆ）、更には金属筐体部分の浮遊インダクタンス（Ｌｆ）等の寄生的な効果によって、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールのグランド（ＧＮＤ）は理想的なグランドとならない。

このため、一体型モジュールの送信側（発光側）及び受信側（受光側）間に電気的クロストークパスが形成されるとともに、電磁ノイズ（電磁的クロストーク）が発生することで、受信感度劣化の要因となっていた。

しかし、プラスチックケース４に導電性フィラーを混入しインピーダンス制御を行ったプラスチックケースと、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールとを当接させることで、電気的クロストークパスを形成するインダクタンス成分（Ｌｃ）に対して、抵抗成分（Ｒ）を並列に接続することになる。これにより、インダクタンス成分による共振に対してダンピング効果を持たせ、電気的クロストーク及び電磁的クロストークを抑制することができる。

導電性フィラーを混入したプラスチックケース４のインピーダンスとしては、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュール自体が有する共振周波数に対して、ダンピング効果が出るよう数Ωから数百Ω程度のインピーダンスを持たせる必要がある。

［実験例の説明］
図７は、本発明者らによるプラスチックケース４、バネ材２２、及びスリーブ２７の条件の組み合わせによるクロストーク劣化量の測定結果を示している。同図では、ＰＤ素子１２による受信状態を維持して、ＬＤ素子１６による送信を行わない場合（送信無）と、送信を行った場合（送信有）とのクロストークによる劣化量を測定した結果を示している。

同図から明らかなように、導電性フィラーを混入したプラスチックケース４（実験例番号４〜６）が、導電性フィラーを混入していないプラスチックケース（実験例番号１〜３）に較べて劣化量が少なく良好な結果が得られていることがわかる。

また、金属バネ材２２を装着してプラスチックケース４の底部１８と回路基板２のグランド端子に接続した場合に劣化が少ないことがわかる（実験例番号３，５，６）。さらに、実験番号５と実験番号６との比較により、スリーブ２７を設けたものが電磁的クロストークを抑止できていることがわかる。

［実施形態の効果］
上述した本発明の一実施形態の光送受信装置１においては、第１に、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュール３を導電性フィラーの混入されたプラスチックケース４に確実に接触させることができ、第２に、バネ材２２を用いてＬＤ・ＰＤ一体型モジュール３の金属筐体５を回路基板２のグランド端子に確実にアースさせることができるため、この第１及び第２の相乗効果によっても電気的及び電磁的クロストークを低減できる。

さらに、プラスチックケース４の側壁部１７において、フェルール７から光ファイバ６が導出されている側は、開口部となっており、この開口部からはフェルール７を覆うスリーブ２７が設けられている。このスリーブ２７は、プラスチックケース４と一体に構成されているので、スリーブ２７にも導電性フィラーが混入されている。したがって、このような導電性フィラーを混入したスリーブ２７により、フェルール７近傍からの電磁的クロストークも防止される。

［変形例］
上記一実施の形態では、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュール３は、バネ材２２の脚部２３の先端をプラスチックケース４の底部１８の突起爪２１に係合させた構成例で説明したが、バネ材２２を用いない構造、すなわち、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュール３の金属筐体５がプラスチックケース４に接触するように配置していれば電気的及び電磁的クロストークを抑制できることは前述の通りである。このように、バネ材２２を用いない場合には、図８に示すように、プラスチックケース４の底部１８からの一対の突起爪２１をケース側壁部１７に近い高さまで上方に突出させて、当該突起爪２１で直接金属筐体５を固定してもよい。

また、上記光送受信装置１は、ＬＤ・ＰＤ一体型モジュール３からフェルール７を介して光ファイバ６が直接導出されている、いわゆるピックテイル型の構造で説明したが、光ファイバ６が着脱可能な構造である、いわゆるレセクタブル型であってもよい。

上述した一実施の形態における光送受信装置１は、次のように変形して構成することが可能である。

（１）導電性フィラーの混入によりインピーダンス制御された合成樹脂材がコーティングされ、一芯双方向光ファイバを終端する発光素子及び受光素子一体型モジュールと、前記一体型モジュールから導出された導電性端子に電気的に接続された回路基板と、前記回路基板を収容する合成樹脂ケースとを備える光送受信装置。ここで、合成樹脂材のコーティング技術としては、蒸着または塗布を採ることが可能である。

（２）一芯双方向光ファイバを終端する発光素子及び受光素子一体型モジュールと、前記一体型モジュールから導出された導電性端子に電気的に接続された回路基板と、前記回路基板を収容する合成樹脂ケースとを備え、前記合成樹脂ケースの少なくとも一部が前記一体型モジュールに接触し、前記合成樹脂ケースは導電性フィラーの混入によりインピーダンス制御されている光送受信装置。

また、上述した一実施の形態における光送受信装置１は、バネ材を回路基板に接続する形態としては、バネ材に設けたリード板を表面実装部品形状（ＳＭＤ）としたが、バネ材に設けたリード板を挿入部品形状（ＩＭＤ）としてもよい。

本発明は、光ファイバを終端する光送受信技術に利用可能である。

Claims (7)

1. 金属筐体を有し、一芯双方向光ファイバを終端するレーザダイオード及びフォトダイオード（ＬＤ・ＰＤ）一体型モジュールと、
   前記ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールから導出されたリードピンに電気的に接続された回路基板と、
   前記回路基板を収容し、少なくとも一部が前記ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールに当接され、導電性フィラーの混入によりインピーダンス制御されたプラスチックケースと、
   前記プラスチックケースの底部に脚部が係合され、前記脚部に連設された平板部が前記金属筐体の表面に接触しながら前記プラスチックケースの底部方向に前記金属筐体を付勢するように取り付けられた導電性のバネ材と、
   を備える光送受信装置。
2. 前記平板部は、前記金属筐体の表面に向かって谷状に折曲されてバネ性を有している請求項１記載の光送受信装置。
3. 前記バネ材にはリード板が設けられ、前記リード板を通して前記回路基板のグランド端子または電源端子に接続されている請求項１または２記載の光送受信装置。
4. 前記リード板を表面実装部品形状により前記回路基板のグランド端子または電源端子に接続している請求項３記載の光送受信装置。
5. 前記リード板を挿入部品形状により前記回路基板のグランド端子または電源端子に接続している請求項３記載の光送受信装置。
6. 前記ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールの一端からは前記光ファイバが導出され、
   前記プラスチックケースは底部及び側壁部を有し、かつ前記光ファイバの導出部分は前記側壁部が開口されており、該開口縁から導出方向に突出したスリーブが設けられている請求項１〜５のいずれか１項記載の光送受信装置。
7. 前記インピーダンス制御は、前記ＬＤ・ＰＤ一体型モジュールの発光側及び受光側間に形
   成される電気的クロストークパスのインダクタンス成分に対して抵抗成分を並列に接続する構成である
   請求項１〜６のいずれか１項記載の光送受信装置。

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