JP4775284B2

JP4775284B2 - 光伝送モジュール

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Inventors: 肇矢木
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Publication date: 2011-09-21
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Description

本発明は、光導波路を備えた光伝送モジュールに関する。詳しくは、光信号が伝送されるコアの端面を露出させた光導波路の接合端面同士を突き当てて、光軸の位置合わせを行うことで、高精度な光コネクタを簡単な構成で実現するものである。

従来、プリント配線間の信号伝送は、フレキシブル基板を介した電気信号や、コネクタハーネスを介した電気信号により行われている。しかし、昨今、電気回路内にて扱われるデータ量は著しく増大し、高速大容量化の傾向にある。結果として、様々な高周波問題が浮上している。

高周波問題の代表的なものとして、ＲＣ信号遅延、インピーダンスミスマッチング、ＥＭＣ、ＥＭＩ、クロストーク等がある。従来、これらの問題を解決するため、配線位置の最適化、新材料の開発等が行われてきた。しかし、上述した配線位置の最適化や新材料の効果は物理的限界に阻まれつつあり、今後システムの高性能化を実現するためには、新たな配線技術の必要が生じてきた。

例えば、信号授受の高速化及び大容量化を実現するために、光配線による光伝送結合技術が開発されている。半導体チップ間、もしくはプリント配線板間の信号伝送を光信号で行うことで、電気配線におけるようなＲＣ遅延の問題はなく、伝送速度を大幅に向上させることができる。また、半導体チップ間もしくはプリント配線板間の信号伝送を光信号で行うことで、電磁波に関する対策を全く必要とせず、電気配線に比較して比較的自由な配線設計が可能となる。

プリント配線板間に対する光配線技術には様々な方式がある。例えば、屈曲性のある光導波路を用いた光配線技術について、以下の２例で簡単に説明する。

図１４は、光コネクタ接続による従来の光モジュールの一例を示す構成図である。図１４に示す例では、出力側のプリント配線板７０１ａに発光素子７０２ａ及びドライバアンプ７０３ａが実装されると共に、光コネクタ７０４ａが着脱されるソケット７０５ａが実装される。同様に、入力側のプリント配線板７０１ｂに受光素子７０２ｂ及びトランスインピーダンスアンプ７０３ｂが実装されると共に、光コネクタ７０４ｂが着脱されるソケット７０５ｂが実装される。

プリント配線板７０１ａ，７０１ｂ間の信号伝送を行う光導波路７０６はコネクタ化されており、プリント配線板７０１ａ，７０１ｂ上のソケット７０５ａ，７０５ｂへそれぞれ嵌合及び着脱自在な構造となっている。

このような構成では、発光素子７０２ａより出力された光信号は光導波路７０６へ入射する。入射光は光導波路７０６の端部の４５度の反射面で全反射し、光路を９０度曲げ光導波路７０６のコア内部を伝送されて行く。

この方式の利点としては、プリント配線板７０１ａ，７０１ｂをメインプリント配線板７０７ａ，７０７ｂに２次実装することで、光通信用ＩＣ７０８、光素子ドライバ間の高周波電気信号の配線長を短くすることができる。光導波路はコネクタ化されプリント配線板に対して完全な独立部品にすることにより、電子部品の実装時（リフロー時）の熱の影響を受けない。これにより、光導波路材料の選択肢が広がる。

問題点としては、光コネクタの接続時に高精度の光軸合わせが必要で、これに対応する構造として、ズレを吸収する光束のコリメートを行うためのマイクロレンズ７０９の設置が必要である。また、コネクタ着脱時に光素子への埃、ゴミ等の付着を抑えるためのカバー７１０の設置が必要である。このため、部品点数の増加が懸念され、低コスト、小型化が難しくなる。

図１５は、電気コネクタ接続による従来の光モジュールの一例を示す構成図である。図１５に示す例では、出力側のプリント配線板８０１ａに発光素子８０２ａ及びドライバアンプ８０３ａと、電気コネクタ８０４ａが実装される。同様に、入力側のプリント配線板８０１ｂに受光素子８０２ｂ及びトランスインピーダンスアンプ８０３ｂと、電気コネクタ８０４ｂが実装される。

プリント配線板８０１ａ，８０１ｂ間の信号伝送を行う光導波路８０５は、それぞれ光素子の光軸との正確な位置合わせを行った状態で、プリント配線板８０１ａ，８０１ｂに接着された構造となっている。

そして、光通信用ＩＣ８０６が実装されたメインプリント配線板８０７ａ，８０７ｂとプリント配線板８０１ａ，８０１ｂとの間の接続は、それぞれ電気コネクタ８０８ａ，８０８ｂにて行われる。

このような構成では、発光素子８０２ａより出力された光信号は光導波路８０５へ入射する。入射光は光導波路８０５の端部の４５度の反射面で全反射し、光路を９０度曲げ光導波路８０５のコア内部を伝送されて行く。

この方式の利点としては、メインプリント配線板とプリント配線板との間の接続は電気コネクタで行うため、光モジュール製造時に光素子と光導波路の光軸を合わせておけば、着脱時に光軸がずれる心配がない。光素子を光導波路により密閉構造とできるため、ゴミや埃の影響を抑えることができる。更に、部品点数も少なく小型薄型化が可能である。

問題点としては、電気コネクタは高周波電気信号が流れるため、高周波対策が必要である。また光通信用ＩＣと光素子ドライバ間は電気コネクタを介すことで、高周波電気信号の配線長が長くなる。更に、光導波路は電子部品と一体のため、光素子の実装時（リフロー時）の影響を受けやすく、耐熱性を考慮した仕様が必要となって、材料選択の制約が大きくなる。

更に、着脱可能な光コネクタとしては、光コネクタとハウジングに溝部と凸部やピンと穴部を形成し、溝部と凸部等の嵌合で位置合わせを行うと共に、爪部の係止で固定が行われる構成が採用されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第３６３６６３４号公報

しかし、従来の光コネクタでは、溝部と凸部等の嵌合で位置合わせが行われるので、外力や温度等の環境の変化でコネクタやハウジングが変形すると、光軸が容易にずれてしまい、外力や環境の変化の影響を受けやすいという問題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、高精度な光コネクタを簡単な構成で実現した光伝送モジュールを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の光伝送モジュールは、光信号が伝送されるコアの端面を露出させた接合端面が形成された光導波路を有した光コネクタと、光コネクタの光導波路が装着される装着部を有すると共に、光信号が伝送されるコアの端面を露出させた接合端面が形成された光導波路を有したソケットと、ソケットが実装されると共に、ソケットの光導波路に対して、接合端面の反対側の端部で光学的に結合される光素子が実装される実装基板と、ソケットに着脱可能に装着され、光コネクタの光導波路とソケットの光導波路の接合端面同士及び光コネクタの光導波路とソケットの装着部が当接する方向に光コネクタを付勢する付勢手段を有したカバーと、光コネクタの光導波路とソケットの光導波路のコア同士の光軸の位置を合わせる位置決め手段とを備えたことを特徴とする。

本発明の光伝送モジュールでは、ソケットの装着部に光コネクタの光導波路が装着され、ソケットにカバーが装着されると、光コネクタの光導波路とソケットの光導波路のコア同士の光軸の位置が合わせられ、光コネクタの光導波路とソケットの光導波路の接合端面同士及び光コネクタの光導波路とソケットの装着部が当接する方向に付勢された状態で、光コネクタがソケットに装着される。

本発明の光伝送モジュールでは、光素子及び光素子を駆動する電子部品等が実装される実装基板にソケットを備えることで、実装基板を他の配線基板に実装して、光通信用のＩＣと光素子間の配線長を短くできるような配線構造が実現可能となる。

本発明の光伝送モジュールによれば、ソケットに装着される光コネクタに対して、光軸に沿った方向と光軸に直交する方向に押す力を加えて、光コネクタの光導波路とソケットの光導波路のコア同士の光軸の位置が合わせられるので、外力や環境の変化の影響が抑えられ、高精度な光コネクタを簡単な構成で実現することができる。

これにより、基板間等の信号伝達が光信号により行えるようになり、電気信号を伝送する構成での電磁波対策等の高周波問題を解決して、基板の設計自由度を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の光伝送モジュールの実施の形態について説明する。

＜本実施の形態の光伝送モジュールの構成例＞
図１は、本実施の形態の光伝送モジュールの一例を示す側断面図、図２（ａ）は、図１に示す光伝送モジュールのＡ−Ａ断面図、図２（ｂ）は、図１に示す光伝送モジュールのＢ−Ｂ断面図、図３は、本実施の形態の光伝送モジュールの一部破断分解斜視図である。

また、図４は、本実施の形態の光伝送モジュールを構成する光導波路アレイの斜視図、図５（ａ）は、図４に示す光伝送モジュールのＣ方向矢視図、図５（ｂ）は、図４に示す光伝送モジュールのＤ方向矢視図である。

本実施の形態の光伝送モジュール１Ａは、光素子として例えば光信号が出力される発光素子１０ａが実装された実装基板であるプリント配線板１０に、光コネクタ２が着脱されるソケット３を備える。また、光コネクタ２をソケット３に位置合わせして固定するカバー４を備える。

光伝送モジュール１Ａは、光信号が伝送されるコア２０ａを有した光導波路アレイ２０を光コネクタ２に備え、図４及び図５（ｂ）に示すように、光導波路アレイ２０の端部に、コア２０ａの端面を露出させた接合端面２１が形成される。また、光信号が伝送されるコア３０ａを有した光導波路アレイ３０をソケット３に備え、図４及び図５（ａ）に示すように、光導波路アレイ３０の端部に、コア３０ａの端面を露出させた接合端面３１が形成される。

そして、図１に示すように、光コネクタ２がソケット３に装着され、カバー４が取り付けられると、光導波路アレイ２０のコア２０ａと光導波路アレイ３０のコア３０ａの光軸が位置合わせされて、光コネクタ２の接合端面２１とソケット３の接合端面３１が突き当てられ、光コネクタ２がソケット３に固定される。

光導波路アレイ２０及び光導波路アレイ３０は光導波路の一例で、それぞれコア・クラッド構造を有した平面型の光導波路であり、本例では、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、複数のコア２０ａと同数のコア３０ａが、所定の同間隔で並列される。

光コネクタ２は、光導波路アレイ２０の平面で構成される接合底面２２を備えると共に、光導波路アレイ２０の接合底面２２と反対側の平面に、ソケット３に対して光導波路アレイ２０の位置を合わせる位置決め部材としての位置決めブロック２３を備える。

光コネクタ２の接合端面２１は、各コア２０ａの端面を露出させた光導波路アレイ２０の端部及び位置決めブロック２３の一方の端部を、接合底面２２と直交する同一面として構成される。

また、光コネクタ２は、位置決めブロック２３の他方の端部を、接合端面２１及び接合底面２２に対して略４５度に傾斜させて押圧面２４を備える。更に、光コネクタ２は、位置決めブロック２３の上面にガイド溝２５を備える。

ガイド溝２５は、図２及び図３に示すように、断面形状が例えばＶ字型で、接合端面２１から、光導波路アレイ２０のコア２０ａの並列する方向に対して直交する方向に延びる。ガイド溝２５の形成位置は、コア２０ａの並列する方向における所定の位置で、例えば、並列方向の中心に位置するコア２０ａの直上等に決められる。

ソケット３は、光導波路アレイ３０及び光コネクタ２を支持する支持基板３２を備え、支持基板３２の平面で構成される接合面３３に、光導波路アレイ３０が接着等により実装される。また、ソケット３は、光導波路アレイ３０の接合面３３に実装される面と反対側の平面に、光導波路アレイ３０に対して光コネクタ２の位置を合わせる位置決め部材としての位置決めブロック３４を備える。

ソケット３の接合端面３１は、各コア３０ａの端面を露出させた光導波路アレイ３０の一方の端部及び位置決めブロック３４の端部を、接合面３３と直交する同一面として構成される。

また、ソケット３は、光導波路アレイ３０の他方の端部が支持基板３２から突出され、光導波路アレイ３０の他方の端面が略４５度に傾斜されて反射面３０ｂを備える。光導波路アレイ３０は、反射面３０ｂに各コア３０ａの端面が露出され、光導波路アレイ３０に対して略９０度方向から入射された光が反射面３０ｂで全反射されて光路が略９０度曲げられ、コア３０ａに結合される。また、コア３０ａを伝搬された光が反射面３０ｂで全反射されて光路が略９０度曲げられ、光導波路アレイ３０に対して略９０度方向へ出射される。

更に、ソケット３は、位置決めブロック３４の上面にガイド溝３５を備える。ガイド溝３５は、図２及び図３に示すように、光コネクタ２の位置決めブロック２３に形成されたガイド溝２５の断面形状と同寸法及び同形状に構成され、本例ではＶ字型の断面形状を有し、接合端面３１から、光導波路アレイ３０のコア３０ａの並列する方向に対して直交する方向に延びる。

また、ガイド溝３５の形成位置は、光コネクタ２における光導波路アレイ２０と位置決めブロック２３との関係と同一の位置関係に構成され、コア３０ａの並列する方向における所定の位置で、本例では、並列方向の中心に位置する３０ａの直上等に決められる。

ソケット３は、光導波路アレイ３０及び位置決めブロック３４が実装された支持基板３２がプリント配線板１０に実装され、光導波路アレイ３０の反射面３０ｂに露出された各コア３０ａの端面が、プリント配線板１０に実装された発光素子１０ａの位置に合わせられる。

ソケット３は、光導波路アレイ３０及び支持基板３２の側部にガイド部３６を備える。ガイド部３６は、支持基板３２の両側に立設され、支持基板３２の接合面３３を底面とした装着部としての装着凹部３７が形成される。また、ガイド部３６は、光導波路アレイ３０の反射面３０ｂ側の端部に立設され、光導波路アレイ３０及び支持基板３２と共に、発光素子１０ａをカバーする。更に、ガイド部３６は、カバー４が着脱できるように固定される係止凹部３８を備える。

カバー４は、光コネクタ２の押圧面２４に押し付けられる付勢手段としての押圧凸部４０と、光コネクタ２のガイド溝２５及びソケット３のガイド溝３５に嵌められる位置決め凸部４１と、ソケット３の係止凹部３８に嵌められる係止爪部４２を備える。

カバー４は樹脂製で、図３に示すように、ソケット３の位置決めブロック３４と、ソケット３の装着凹部３７に装着された光コネクタ２の位置決めブロック２３の上面を覆う天板４３の裏面に、押圧凸部４０と位置決め凸部４１が突出形成されると共に、天板４３の裏面から延びる脚部に係止爪部４２が形成される。

押圧凸部４０は、ソケット３の装着凹部３７に光コネクタ２が装着され、ソケット３の係止凹部３８にカバー４の係止爪部４２が嵌められると、光コネクタ２の押圧面２４に押し付けられて弾性変形する寸法で構成されている。

そして、押圧面２４の傾斜と、押圧凸部４０の例えば半円形の凸形状によって、光コネクタ２の接合端面２１がソケット３の接合端面３１に押し付けられ、光コネクタ２の接合底面２２がソケット３の接合面３３に押し付けられる方向に、光コネクタ２を押す力を生じさせる。

位置決め凸部４１は、ソケット３の装着凹部３７に光コネクタ２が装着され、ソケット３の係止凹部３８にカバー４の係止爪部４２が嵌められると、ソケット３の位置決めブロック３４のガイド溝３５と、装着凹部３７に装着された光コネクタ２の位置決めブロック２３のガイド溝２５の両方に嵌る長さを有する。

これにより、ソケット３と光コネクタ２は、位置決めブロック２３のガイド溝２５と位置決めブロック３４のガイド溝３５が直線状に並べられ、光導波路アレイ２０と光導波路アレイ３０の位置が合わせられる。

＜本実施の形態の光伝送モジュールの作用効果例＞
次に、本実施の形態の光伝送モジュールの接続動作の一例について、各図を参照して説明する。

光伝送モジュール１Ａは、ソケット３の装着凹部３７に光コネクタ２が装着され、光コネクタ２が装着されたソケット３の係止凹部３８にカバー４の係止爪部４２が嵌められる。このようにして、カバー４がソケット３に装着されると、光コネクタ２の接合端面２１とソケット３の接合端面３１が当接し、光コネクタ２とソケット３は、光コネクタ２に備えられた光導波路アレイ２０のコア２０ａと、ソケット３に備えられた光導波路アレイ３０のコア３０ａの光軸が位置合わせされて固定される。

まず、各光導波路アレイの接合端面における光軸に直交する一方の方向である各光導波路アレイのコアの並列方向に沿ったＹ（横）方向の位置合わせについて説明する。

ソケット３に備えられている光導波路アレイ３０は、カバー４が装着されると、図２（ａ）に示すように、位置決めブロック３４のガイド溝３５に、カバー４の裏面に設けた位置決め凸部４１が嵌り込む構成となっている。

同様に、ソケット３の装着凹部３７に装着された光コネクタ２に備えられている光導波路アレイ２０は、カバー４が装着されると、図２（ｂ）に示すように、位置決めブロック２３のガイド溝２５に、カバー４の位置決め凸部４１が嵌り込む構成となっている。

位置決め凸部４１は直線状であるので、位置決めブロック２３のガイド溝２５と位置決めブロック３４のガイド溝３５が直線状に並べられる。上述したように、光導波路アレイ２０と光導波路アレイ３０はコアのピッチが同一で、光コネクタ２における光導波路アレイ２０とガイド溝２５とのＹ方向の位置関係と、ソケット３における光導波路アレイ３０とガイド溝３５とのＹ方向の位置関係は同一に構成される。

これにより、光コネクタ２のガイド溝２５とソケット３のガイド溝３５が直線状に並べられることで、光コネクタ２の光導波路アレイ２０とソケット３の光導波路アレイ３０のＹ（横）方向の位置が合わせられる。

次に、各光導波路アレイの接合端面における光軸に直交する他方の方向であるＺ（縦）方向の位置合わせについて説明する。

ソケット３に備えられた光導波路アレイ３０は、支持基板３２の接合面３３に固定されている。また、光コネクタ２に備えられた光導波路２０は、光コネクタ２がソケット３の装着凹部３７に装着されると、光導波路アレイ２０の接合底面２２が、支持基板３２の接合面３３に接する構成となっている。

更に、光コネクタ２が装着されたソケット３にカバー４が装着されると、カバー４の裏面に設けた押圧凸部４０が、位置決めブロック２３の押圧面２４に接し、支持基板３２の接合面３３に光導波路アレイ２０接合底面２２が押し付けられる構成となっている。

すなわち、上述したように、ソケット３にカバー４が装着されると、カバー４の押圧凸部４０は、光コネクタ２の押圧面２４に押し付けられて弾性変形する寸法で構成されている。そして、押圧面２４の傾斜と押圧凸部４０の凸形状によって、光コネクタ２の光導波路アレイ２０の接合底面２２が、ソケット３の支持基板３２の接合面３３に、光導波路アレイ２０が変形しないような軽い圧力で押し付けられ、光導波路アレイ２０と支持基板３２の当接状態が維持される。

次に、各光導波路アレイの接合端面における光軸に沿った方向であるＸ（前後）方向の位置合わせについて説明する。

光コネクタ２が装着されたソケット３にカバー４が装着されると、上述したように、カバー４の裏面の押圧凸部４０が、位置決めブロック２３の押圧面２４に接することで、ソケット３の接合端面３１に光コネクタ２の接合端面２１が押し付けられる構成となっている。

すなわち、光コネクタ２の接合端面２１は、光導波路アレイ２０の端面と位置決めブロック２３の端面が同一面で構成され、ソケット３の接合端面３１は、光導波路アレイ３０の端面と位置決めブロック３４の端面が同一面で構成される。また、接合端面２１と接合端面３１は、支持基板３２の接合面３３と直交する面である。

これにより、ソケット３にカバー４が装着されて、カバー４の押圧凸部４０が光コネクタ２の押圧面２４に押し付けられて弾性変形することで生じる力で、接合端面２１における光導波路アレイ２０の端面と、接合端面３１における光導波路アレイ３０の端面が隙間なく接合される構成となる。

そして、押圧面２４の傾斜と押圧凸部４０の凸形状によって、光コネクタ２の接合端面２１が、ソケット３の接合端面３１に、光導波路アレイ２０及び光導波路アレイ３０が変形しないような軽い圧力で押し付けられ、光導波路アレイ２０と光導波路アレイ３０の当接状態が維持される。

従って、光コネクタ２とソケット３は、光導波路アレイ２０と光導波路アレイ３０の光軸の位置が合わせられ、かつ、位置合わせされた状態が維持される。

このように、光導波路アレイ同士を突き当てて着脱可能に接合することで、平面同士の突き当て等による簡単な構成で光軸の位置合わせが可能となり、レンズ等が不要となって、部品点数の増加を抑えることができる。

また、カバー４がソケット３に装着されると、カバー４に設けた押圧凸部４０が、光コネクタ２の位置決めブロック２３に形成された押圧面２４に押し付けられて弾性変形することで、光導波路アレイ同士が変形しないような軽い圧力で押し付けられて、光導波路アレイ２０と光導波路アレイ３０の当接状態が維持される。これにより、外力や環境の変化の影響を抑えることができる。

図６は、本実施の形態の光伝送モジュールの使用形態の一例を示す斜視図、図７は、本実施の形態の光伝送モジュールの使用形態の一例を示す側面図、図８は、光コネクタを着脱した状態を示す本実施の形態の光伝送モジュールの分解斜視図、図９は、光コネクタを着脱した状態を示す本実施の形態の光伝送モジュールの一部破断分解斜視図である。

光伝送モジュール１Ａは、図６及び図７に示すように、例えば、メインプリント配線板５０Ａ，５０Ｂの間を、図２（ｂ）に示すような複数のコア２０ａを有した１本の光導波路アレイ２０で接続する構成で、光導波路アレイ３０の両端にそれぞれ光コネクタ２が備えられる。

また、メインプリント配線板５０Ａ，５０Ｂには、それぞれ光コネクタ２が装着されるソケット３と、光コネクタ２をソケット３に位置合わせてして固定するカバー４が備えられる。

そして、図８に示すように、光コネクタ２がソケット３に対して着脱可能な機構を有しているため、図９に示すように、光コネクタ２に備えた光導波路アレイ２０とソケット３に備えた光導波路アレイ３０を分離した構成とすることができる。

これにより、光コネクタ２とソケット３で、それぞれの条件に合った光導波路材料の選択が可能となる。例えば、光コネクタ２に備えた光導波路アレイ２０では、図６に示すように、メインプリント配線板５０Ａ，５０Ｂのソケット３間を掛け渡す構成となることから、屈曲性に富み、可動できる材料が望ましい。

これに対して、ソケット３に備えた光導波路アレイ３０では、図９に示すように、支持基板３２に固定されており、屈曲性は必要ないが、メインプリント配線板５０Ａ，５０Ｂ（プリント配線板１０）での発光素子１０ａや、図示しない受光素子やドライバ回路等の電子部品の実装時に発生するハンダ付け等による熱の影響を考慮して耐熱性の高い材料が望ましい。

また、ソケット３側に光導波路アレイ３０を備えることにより、光コネクタ２を取り外したとき、光導波路アレイ３０で発光素子１０ａや、図示しない受光素子やドライバ回路等の電子部品のカバーを行うことができ、ゴミや埃の付着を防止することも可能となる。更に、電子部品等のカバーを別部品で備える必要がないので、部品点数の増加を抑えることができると共に、小型化が可能となり、特に、高さ方向の寸法を低く抑えることができる。

本実施の形態の光伝送モジュールでは、上述したように、Ｘ，Ｙ，Ｚの３軸方向の位置合わせ構造を有しているが、部品のばらつきや組み込み公差を考慮する構成を、光導波路アレイに持たせることが可能であり、次に、部品の製造上のばらつきや、組み込み公差を考慮した構成について説明する。

まず、Ｙ（横）方向の位置合わせは、図２に示すように、光コネクタ２の光導波路アレイ２０に備える位置決めブロック２３のガイド溝２５と、ソケット３の光導波路アレイ３０に備える位置決めブロック３４のガイド溝３５に、カバー４の裏面に設けた位置決め凸部４１を嵌り込ませることで行われている。この構成であれば高精度な位置合わせが可能であるが、光導波路アレイ２０，３０への位置決めブロック２３，３４の実装誤差等により、光導波路アレイのコアとガイド溝との位置関係にズレが生じる場合がある。これを許容するための構造について説明する。

図１０は、光コネクタ間の光導波路アレイ及び一対のソケットの光導波路アレイの上面図である。なお、図１０では、各光導波路アレイにおいて伝送される光信号は矢印方向へ進むものとする。

各光導波路アレイでは、それぞれ入力側から出力側に向かって、コアのＹ（横）方向の幅が徐々に狭くなっている。例えば、出力側のソケット３に備える光導波路アレイ３０（１）において、コア３０ａの入力側のＹ（横）方向の寸法を４０μｍ、出力側のＹ（横）方向の寸法を３０μｍとする。次に、一対の光コネクタ２に備える光導波路アレイ２０において、コア２０ａの入力側のＹ（横）方向の寸法を６０μｍ、出力側のＹ（横）方向の寸法を３０μｍとする。更に、受け側のソケット３に備える光導波路アレイ３０（２）において、コア３０ａの入力側のＹ（横）方向の寸法を６０μｍ、出力側のＹ（横）方向の寸法を５０μｍとする。

このようなテーパ状のコアを備えることで、出力側の光導波路アレイ３０（１）と伝送側の光導波路アレイ２０の接続部では、コアのＹ（横）の寸法が３０μｍから６０μｍに増加する。すなわち、Ｙ（横）方向の寸法のズレは±１５μｍの余裕を持つことになる。同様に、伝送側の光導波路アレイ２０と受け側の光導波路アレイ３０（２）の接続部では、コアのＹ（横）方向の寸法が３０μｍから６０μｍに増加する。すなわち、Ｙ（横）方向の寸法のズレは±１５μｍの余裕を持つことになる。

なお、光導波路アレイは、例えばフォトリソグラフィプロセスで作製され、コアの形状は、マスクのパターンによって決めることができるので、テーパ状のコアを形成することは容易である。

次に、Ｚ（縦）方向の位置合わせは、図１に示すように、ソケット３の支持基板３２の接合面３３に、ソケット３の光導波路アレイ３０と光コネクタ２の光導波路アレイ２０を直接接触させる構成としている。このような構成での位置ずれは、光導波路アレイ２０，３０の厚み方向の誤差のみとなる。

一般的な光導波路では、コアの下層のクラッドの厚さは通常３０μｍ程度、最低でも１０μｍ程度あり、光導波路の作製プロセスで５〜１０％程度の厚さ誤差を生ずる。クラッド厚さが１０μｍであると、クラッドの厚さ誤差は０．５〜１μｍとなる。この値は、誤差としてはわずかであるが、伝送ロスを極力減らすと考えた場合、以下の構成を備えることで誤差の吸収が可能となる。

図１１は、光コネクタ間の光導波路アレイ及び一対のソケットの光導波路アレイの側面図である。なお、図１１では、各光導波路アレイにおいて伝送される光信号は矢印方向へ進むものとする。

各光導波路アレイでは、入力側から出力側に向かって、コア及びクラッドのＺ（縦）方向の寸法を変える。例えば、出力側のソケット３に備える光導波路アレイ３０（１）において、コア３０ａのＺ（縦）方向の寸法を４０μｍとし、次に一対の光コネクタ２に備える光導波路アレイ２０において、コア２０ａのＺ（縦）方向の寸法を４５μｍとし、受け側のソケット３に備える光導波路アレイ３０において、Ｚ（縦）方向の寸法を５０μｍとする。なお、各光導波路アレイでは、アンダークラッド層とオーバークラッド層のＺ（縦）方向の寸法をコアに応じて変えて、光導波路アレイの厚みは同じとしている。

このように高さを変えたコアを備えることで、出力側の光導波路アレイ３０（１）と伝送側の光導波路アレイ２０の接続部では、コアのＺ（縦）の寸法が４０μｍから４５μｍに増加する。すなわち、Ｚ（縦）方向の寸法のズレは±２．５μｍの余裕を持つことになる。同様に、伝送側の光導波路アレイ２０と受け側の光導波路アレイ３０（２）の接続部では、コアのＺ（縦）方向の寸法が４５μｍから５０μｍに増加する。すなわち、Ｚ（縦）方向の寸法のズレは±２．５μｍの余裕を持つことになる。

なお、光導波路アレイは、例えばフォトリソグラフィプロセスで作製され、Ｚ方向をテーパ形状とすることができないが、コア及びクラッドの厚みは成膜時に制御できるので、コアの高さを異ならせて形成することは容易である。

図１２は、本実施の形態の光伝送モジュールを実現する回路構成の一例を示すブロック図である。本実施の形態の光伝送モジュール１Ａは、第１の回路（第１の電子部品）９０から第２の回路（第２の電子部品）９１に光信号を伝送する第１の伝送系１００と、第２の回路９１から第１の回路９０に光信号を伝送する第２の伝送系１０１とを備える。

第１の伝送系１００は、光通信用ＩＣ（Integrated Circuits）１００ａ、ドライバアンプ１００ｂ、発光素子としての半導体レーザ１００ｃ、光導波路アレイ２０としての光導波路１００ｄ、受光素子としてのフォトダイオード１００ｅ、トランスインピーダンスアンプ１００ｆ、光通信用ＩＣ１００ｇを備えている。

この構成では、光通信用ＩＣ１００ａ、ドライバアンプ１００ｂ及び半導体レーザ１００ｃは第１の回路９０側に配置され、フォトダイオード１００ｅ、トランスインピーダンスアンプ１００ｆ及び光通信用ＩＣ１００ｇは第２回路９１側に配置され、光導波路１００ｄは第１の回路９０と第２の回路９１との間に配置される。

同様に第２の伝送系１０１は、光通信用ＩＣ１０１ａ、ドライバアンプ１０１ｂ、発光素子としての半導体レーザ１０１ｃ、光導波路アレイ２０としての光導波路１０１ｄ、受光素子としてフォトダイオード１０１ｅ、トランスインピーダンスアンプ１０１ｆ、光通信用ＩＣ１０１ｇを備えている。

この構成では、光通信用ＩＣ１０１ａ、ドライバアンプ１０１ｂ及び半導体レーザ１０１ｃは第２の回路９１側に配置され、フォトダイオード１０１ｅ、トランスインピーダンスアンプ１０１ｆ及び光通信用ＩＣ１０１ｇは第１回路９０側に配置され、光導波路１０１ｄは第１の回路９０と第２の回路９１との間に配置される。

そして、光導波路１００ｄと光導波路１０１ｄが、図１等で説明した構成で、発光素子及び受光素子と接続される。なお、第１の伝送系１００と第２の伝送系１０１は、独立した光導波路で実現しても良いし、複数のコアを有した１本の光導波路アレイで実現しても良い。

次に、第１の回路９０から第２の回路９１にデータを伝送する際の動作について説明する。第１の回路９０側では、伝送すべきデータが光通信用ＩＣ１００ａにてシリアルデータへ変換され、このシリアルデータはドライバアンプ１００ｂに供給される。送信すべきデータが供給されたドライバアンプ１００ｂにより半導体レーザ１００ｃが駆動され、半導体レーザ１００ｃからシリアルデータに対応した光信号が発生される。そして、出力された光信号が光導波路１００ｄを通って第２回路９１側に伝送される。

第２回路９１側では、光導波路１００ｄで伝送されてきた光信号がフォトダイオード１００ｅで受光される。フォトダイオード１００ｅからの光電変換による電気信号はインピーダンスアンプ１００ｆに供給され、インピーダンスマッチングをとり、伝送されてきたシリアルデータが光通信用ＩＣ１００ｇへ入力される。

このようにして、第１回路９０から第２回路９１にデータの伝送が行われる。なお、詳細説明は省略するが、第２の回路９１から第１の回路９０にデータを伝送する際の動作についても同様に行われる。

図１３は、本実施の形態の光伝送モジュールを実現する光素子（発光素子、受光素子）、光通信ＩＣ及びアンプ（ドライバアンプ、トランスインピーダンスアンプ）の実装構造の一例を概略的に示す断面図である。

光モジュール６５０ａに備えられるプリント配線板６０１ａの表面側には、発光素子６０２ａ及びドライバアンプ６０３ａが実装されている。また、プリント配線板６０１ａの裏面の電極パット６０４ａとメインプリント配線板６０５ａの上面にある電極パッド６０６ａとの間にはんだ６１６ａが介在され、プリント配線板６０１ａはメインプリント配線板６０５ａの表面上にはんだ付けされている。

発光素子６０２ａは、裏面に形成された電極６０８ａとプリント配線板６０１ａの表面の電極パッド６０７ａとの間にはんだ６０９ａが介在され、発光素子６０２ａはプリント配線板６０１ａ上にはんだ付けされる。同様に、ドライバアンプ６０３ａは、裏面に形成された電極６１１ａとプリント配線板６０１ａの表面の電極パッド６１０ａとの間にはんだ６１２ａが介在され、ドライバアンプ６０３ａはプリント配線板６０１ａ上にはんだ付けされる。

また、光通信用ＩＣ６１５ａは、電極６１４ａとメインプリント配線板６０５ａの裏面の電極パッド６１３ａとの間にはんだ６１７ａが介在され、光通信用ＩＣ６１５ａはメインプリント配線板６０５ａの裏面上にはんだ付けされる。

光モジュール６５０ｂに備えられるプリント配線板６０１ｂの表面側には、受光素子６０２ｂ及びトランスインピーダンスアンプ６０３ｂが実装されている。また、プリント配線板６０１ｂの裏面の電極パット６０４ｂとメインプリント配線板６０５ｂの上面にある電極パッド６０６ｂとの間にはんだ６０６ｂが介在され、プリント配線板６０１ｂはメインプリント配線板６０５ｂの表面上にはんだ付けされている。

受光素子６０２ｂは、裏面に形成された電極６０８ｂとプリント配線板６０１ｂの表面の電極パッド６０７ｂとの間にはんだ６０９ｂが介在され、受光素子６０２ｂはプリント配線板６０１ｂ上にはんだ付けされる。同様に、トランスインピーダンスアンプ６０３ｂは、裏面に形成された電極６１１ｂとプリント配線板６０１ｂの表面の電極パッド６１０ｂとの間にはんだ６１２ｂが介在され、トランスインピーダンスアンプ６０３ｂはプリント配線板６０１ｂ上にはんだ付けされる。

また、光通信用ＩＣ６１５ｂは、電極６１４ｂとメインプリント配線板６０５ｂの裏面の電極パッド６１３ｂとの間にはんだ６１７ｂが介在され、光通信用ＩＣ６１５ｂはメインプリント配線板６０５ｂの裏面上にはんだ付けされる。

次に、上述した実装構造を有した光伝送モジュールの動作を説明する。光モジュール６５０ａ側で、光通信用ＩＣ６１５ａからの電気信号は、メインプリント配線板６０５ａの内部を通って上面に２次実装されているプリント配線板６０１ａの内部を通り、更にプリント配線板６０１ａの上面に実装されているドライバアンプ６１１ａに供給される。そして、ドライバアンプ６１１ａから発光素子６０２ａに電気信号が送られ、発光素子６０２ａの発光部から電気信号に対応して強度変調された光信号が発生される。

発光素子６０２ａから出力された光信号は、図１等で説明した光導波路アレイ３０の反射面３０ｂで全反射し、コア３０ａを伝送される。図１等で説明したソケット３と光コネクタ２の構成により、出力側の光導波路アレイ３０と基板間伝送用の光導波路アレイ２０が接続されることで、光導波路アレイ３０のコア３０ａを伝送される光は、光導波路アレイ２０のコア２０ａに入射し、コア２０ａを伝送される。

更に、光導波路アレイ２０と受け側の光導波路アレイ３０が接続されることで、光導波路アレイ２０のコア２０ａを伝送される光は、受け側の光導波路アレイ３０のコア３０ａに入射し、コア３０ａを伝送される。

光モジュール６５０ｂ側で受信された光信号は、受け側の光導波路アレイ３０のコア３０ａを通り反射面３０ｂで全反射され、光路が略９０度変えられて、受光素子６０２ｂに入射される。

そして受信された光信号は受光素子６０２ｂで電気信号に変換される。光信号に対応した電気信号は、トランスインピーダンスアンプ６０３ｂを経てプリント配線板６０１ｂの内部を通り、プリント配線板６０１ｂが実装されているメインプリント配線板６０５ｂの内部を通って、メインプリント配線板６０５ｂに実装されている光通信用ＩＣ６１５ｂに供給される。

上述した光モジュール６５０ａ，６５０ｂによれば、本実施の形態の光伝送モジュール１Ａを適用することで、プリント配線板６０１ａ，６０１ｂに光素子等が実装されると共に、図１等に示す光コネクタ２が装着されるソケット３が実装されるものである。これにより、既存のメインプリント配線板６０５ａ、６０５ｂにプリント配線板６０１ａ，６０１ｂを２次実装することで、メインプリント配線板の実装構造をそのまま利用できる。従って、メインプリント配線板６０５ａ，６０５ｂ上にプリント配線板６０１ａ，６０１ｂを実装できる領域を設ければ、その他の電気部品は従来通りのプロセスで形成できる。

また、上述したプリント配線板６０１ａ，６０１ｂに備える光伝送モジュールは、ソケットを固定し、更にはんだリフロー、アンダーフィル樹脂封止等の高温プロセスを含む、すべての実装プロセスを完了した後、当該ソケットに、光コネクタに備える光導波路アレイを装着すれば良いので、光導波路アレイ２０が高温プロセスに弱い材質であっても、高温による影響を受けることなく実装できる。

更に、上述した光モジュール６５０ａ，６５０ｂによれば、光伝送モジュールを備えることで、電気のコネクタを実装する場合と比較して、電極の配置の自由度が高い。これにより、光通信用ＩＣ６１５ａ、６１５ｂとドライバアンプ６０３ａ及びトランスインピーダンスアンプ６０３ｂとを、基板の表裏に実装する等により、プリント配線板６０１ａ，６０１ｂ及びメインプリント配線板６０５ａ，６０５ｂを介して近接した状態で設置できる。従って、光通信用ＩＣ６１５ａ、６１５ｂとドライバアンプ６０３ａ及びトランスインピーダンスアンプ６０３ｂの間の配線長を短くでき、電気信号のノイズ対策、クロストーク対策も容易となり、光変調速度を向上させることができる。

なお、図１３の例では、基板間を光導波路で接続する形態について説明したが、１枚の基板内を光導波路で接続する形態にも適用可能である。

本発明は、電子機器のボード間やチップ間の光通信モジュールの光コネクタ等に適用される。

本実施の形態の光伝送モジュールの一例を示す側断面図である。本実施の形態の光伝送モジュールの断面図である。本実施の形態の光伝送モジュールの一部破断分解斜視図である。本実施の形態の光伝送モジュールを構成する光導波路アレイの斜視図である。本実施の形態の光伝送モジュールの矢視図である。本実施の形態の光伝送モジュールの使用形態の一例を示す斜視図である。本実施の形態の光伝送モジュールの使用形態の一例を示す側面図である。光コネクタを着脱した状態を示す本実施の形態の光伝送モジュールの分解斜視図である。光コネクタを着脱した状態を示す本実施の形態の光伝送モジュールの一部破断分解斜視図である。光コネクタ間の光導波路アレイ及び一対のソケットの光導波路アレイの上面図である。光コネクタ間の光導波路アレイ及び一対のソケットの光導波路アレイの側面図である。本実施の形態の光伝送モジュールを実現する回路構成の一例を示すブロック図である。本実施の形態の光伝送モジュールを実現する実装構造の一例の概略を示す断面図である。光コネクタ接続による従来の光モジュールの一例を示す構成図である。電気コネクタ接続による従来の光モジュールの一例を示す構成図である。

符号の説明

１Ａ・・・光伝送モジュール、１０・・・プリント配線板、１０ａ・・・発光素子、２・・・光コネクタ、２０・・・光導波路アレイ、２０ａ・・・コア、２１・・・接合端面、２２・・・接合底面、２３・・・位置決めブロック、２４・・・押圧面、２５・・・ガイド溝、３・・・ソケット、３０・・・光導波路アレイ、３０ａ・・・コア、３０ｂ・・・反射面、３１・・・接合端面、３２・・・支持基板、３３・・・接合面、３４・・・位置決めブロック、３５・・・ガイド溝、３６・・・ガイド部、３７・・・装着凹部、３８・・・係止凹部、４・・・カバー、４０・・・押圧凸部、４１・・・位置決め凸部、４２・・・係止爪部、４３・・・天板

Claims

光信号が伝送されるコアの端面を露出させた接合端面が形成された光導波路を有した光コネクタと、
前記光コネクタの前記光導波路が装着される装着部を有すると共に、光信号が伝送されるコアの端面を露出させた接合端面が形成された光導波路を有したソケットと、
前記ソケットが実装されると共に、前記ソケットの前記光導波路に対して、前記接合端面の反対側の端部で光学的に結合される光素子が実装される実装基板と、
前記ソケットに着脱可能に装着され、前記光コネクタの前記光導波路と前記ソケットの前記光導波路の前記接合端面同士及び前記光コネクタの前記光導波路と前記ソケットの前記装着部が当接する方向に前記光コネクタを付勢する付勢手段を有したカバーと、
前記光コネクタの前記光導波路と前記ソケットの前記光導波路の前記コア同士の光軸の位置を合わせる位置決め手段と
を備えたことを特徴とする光伝送モジュール。
前記位置決め手段は、前記ソケットの前記光導波路に設けられた位置決め部材に形成されたガイド溝と、前記光コネクタの前記光導波路に設けられた位置決め部材に形成されたガイド溝と、前記カバーに形成された位置決め凸部とを備え、
前記ソケットの前記装着部に前記光コネクタが装着され、前記カバーが前記ソケットに装着されると、前記ソケットの前記ガイド溝と前記光コネクタの前記ガイド溝に前記位置決め凸部が嵌り込み、光軸に直交する横方向の位置合わせが行われる
ことを特徴とする請求項１記載の光伝送モジュール。
前記付勢手段は、前記カバーに形成された押圧凸部と、前記光コネクタの前記位置決め部材の前記接合端面と反対側の端部に形成された押圧面とを備え、
前記ソケットの前記装着部に前記光コネクタが装着され、前記カバーが前記ソケットに装着されると、前記押圧凸部が前記押圧面に押し付けられて弾性変形し、前記光コネクタの前記光導波路と前記ソケットの前記光導波路の前記接合端面同士が当接する方向に前記光コネクタを付勢して、光軸に沿った前後方向の位置合わせが行われる
ことを特徴とする請求項２記載の光伝送モジュール。
前記位置決め手段は、前記光コネクタの前記光導波路の平面で構成される接合底面と、前記ソケットの前記光導波路が実装される接合面を有した支持基板とを備え、
前記ソケットの前記装着部に前記光コネクタが装着され、前記カバーが前記ソケットに装着されると、前記押圧凸部が前記押圧面に押し付けられて弾性変形し、前記光コネクタの前記接合底面と前記ソケットの接合面が当接する方向に前記光コネクタを付勢して、光軸に直交する縦方向の位置合わせが行われる
ことを特徴とする請求項３記載の光伝送モジュール。
前記ソケットの前記光導波路は、前記接合端面の反対側の端部を傾斜させて、前記コアにおける光の伝送方向に対して垂直方向から入射した光を反射して前記コアに入射させると共に、前記コアを伝送される光を反射して垂直方向から出射させる反射面を備え、
前記光素子は、前記ソケットの前記光導波路の前記反射面の下部に配置されて、前記光導波路で覆われる
ことを特徴とする請求項１記載の光伝送モジュール。
前記実装基板は、前記光素子と接続される電子部品が実装される
ことを特徴とする請求項１記載の光伝送モジュール。
前記ソケットを備えた一対の前記実装基板が、一対の主基板または１枚の主基板に実装され、一対の前記主基板間または１枚の前記主基板内が前記光コネクタを備えた前記光導波路で接続される
ことを特徴とする請求項６記載の光伝送モジュール。
前記ソケットの前記光導波路と前記光コネクタの前記光導波路は、前記接合端面において光信号の出力側に配置されるコアの径より入力側に配置されるコアの径を大きくした
ことを特徴とする請求項１記載の光伝送モジュール。