JP4819000B2

JP4819000B2 - 光導波路保持部材及び光トランシーバ

Info

Publication number: JP4819000B2
Application number: JP2007182315A
Authority: JP
Inventors: 雅裕濱崎; 治大工原; 裕子大瀬
Original assignee: Fujitsu Component Ltd
Current assignee: Fujitsu Component Ltd
Priority date: 2007-07-11
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2027-07-11
Also published as: US7625138B2; JP2009020280A; US20090016733A1

Description

本発明は、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実装され
る光導波路保持部材と、この光導波路保持部材を用いた光トランシーバに関する。

従来より、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が主流となっている。例えばオフィスや家庭に設置された情報端末等にも光ファイバによりインターネット等の通信網を接続して信号の送受信が行われている。パソコンや周辺機器と光ファイバ（外部光ファイバ）の接続部には、電気信号と光信号を双方向に変換可能な光トランシーバが用いられている。このような光トランシーバは、外部光ファイバと光電変換素子との間に形成される光導波路を備える（例えば、特許文献１参照）。
特開２００１−０５１２７１号公報

上述のような光トランシーバは、光電変換素子が配設されるプリント基板の上に光導波路用の光導波路保持部材が実装される。通常、プリント基板はガラスエポキシ樹脂で構成され、一方、光導波路保持部材は、クラッド材料としての機能を確保するためにオレフィン系の樹脂で構成される。プリント基板側に配設される光電変換素子と光導波路保持部材側に配設される光導波路との間の光路の接続は、光電変換素子の受発光部と、光導波路の端部とを対向させ、それぞれの光学中心を一致させることによって実現される。光学中心同士の位置精度は、±数μｍレベルが求められる。

ところで、光トランシーバは使用中に約８０〜９０℃程度まで温度が上昇する。また、プリント基板と光導波路保持部材の熱膨張率は相違する。このため、プリント基板と光導波路保持部材の接合位置とそれぞれの光学中心との間の距離によっては、熱膨張により光学中心同士の位置ずれが生じる可能性があった。すなわち、プリント基板及び光導波路保持部材の接合位置とそれぞれの光学中心との間の距離が熱膨張によって数μｍ以上ずれると、光トランシーバの性能に大きな影響を与える可能性があった。

そこで、本発明は、プリント基板側と光導波路保持部材側との光学中心同士の温度変化による位置ずれを抑制した光導波路保持部材及び光トランシーバを提供することを目的とする。

本発明の一局面の光導波路保持部材は、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実装され、外部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の光導波路を保持する光導波路保持部材であって、前記プリント基板に実装される筐体と、前記筐体の側壁の底部に形成され、前記筐体を前記プリント基板に実装する際に用いられるフランジと、前記筐体に形成され、前記光導波路の第１端を前記光電変換素子の受発光部に接続する第１接続部と、前記筐体に形成され、前記光導波路の第２端を前記外部光ファイバに接続する第２接続部と、前記筐体の側壁の底部に形成される切欠部とを含み、前記側壁の底部は、前記切欠部により、前記フランジが配設される第１側壁底部と、前記フランジが配設されない第２側壁底部に切り分けられ、前記第１接続部の光学中心と、前記フランジの固定中心とは同一直線上に配列される。

また、前記光導波路及び前記第１接続部を前記光信号の送信用及び受信用に複数チャンネル数分有し、前記フランジは前記光導波路保持部材の側部に平面視左右対称に対をなして配設され、すべての第１接続部の光学中心と、前記フランジの固定中心とは同一直線上に配列されてもよい。

また、この場合に、前記フランジ及び前記第１接続部は、前記光導波路保持部材の平面視において左右対称に配列されてもよい。

また、前記フランジの固定中心は、前記筐体の前記側壁の長手方向の中心であってもよい。

本発明の一局面の光トランシーバは、前記第１接続部に対応する位置に前記光電変換素子が実装又は形成されるプリント基板と、前記のいずれかの光導波路保持部材とを備える。

本発明によれば、プリント基板側と光導波路保持部材側との光学中心同士の温度変化による位置ずれを抑制した光導波路保持部材及び光トランシーバを提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明の光導波路保持部材及び光トランシーバを適用した実施の形態について説明する。

図１は、本実施の形態の光導波路保持部材及び光トランシーバを示す図であり、（ａ）は全体を示す斜視図、（ｂ）は一部を透過的に示す斜視図である。

本実施の形態の光トランシーバ１０は、プリント基板１１の上に実装される光導波路保持部材１２を備える。この光導波路保持部材１２は、接着部１３Ａ及び１３Ｂによりプリント基板１１に接着されている。

プリント基板１１は、ガラスエポキシ樹脂製の基板に図示しない銅配線を形成したものである。このプリント基板１１には、図１（ｂ）に示すように、光電変換素子１４が形成される。光電変換素子１４は、図示しない銅配線及びコネクタを介して外部回路と接続される。なお、説明の便宜上、図１（ｂ）には符号１４のみを示す。

図２は、本実施の形態の光導波路保持部材及び光トランシーバを示す斜視図である。透過的に示す光導波路保持部材１２は、クラッド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、フランジ１２Ａを備える。このフランジ１２Ａは、光導波路保持部材１２の両側の側壁１２Ｂの底部に配設されており、平面視略Ｕ字型の形状を有する。また、側壁１２Ｂの底部中央には切欠部１２Ｃが形成されており、側壁１２Ｂの底部を側壁底部１２Ｄ及び１２Ｅに切り分けている。フランジ１２Ａは、側壁底部１２Ｄ側に配設されている。

また、図２に示すように、光導波路保持部材１２は、略９０度湾曲した上面１２Ｆを有しており、その中央には、光ファイバのコアとなるコア部材１５が８本形成されている。上述のように、光導波路保持部材１２はクラッド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ている。コア部材１５が配設された後に、このコア部材１５の上には、図示しないクラッド材料層が形成されることにより、光導波路保持部材１２の上面１２Ｆには、コア部材１５をコアとする光ファイバが形成され、この光ファイバにより光導波路が構成される。

なお、一端１５Ａは、光電変換素子１４に光学的に接続され、コア部材１５の他端１５Ｂは、図示しない外部光ファイバに光学的に接続される。光導波路保持部材１２は、コア部材１５の一端１５Ａ及び他端１５Ｂにそれぞれ形成される素子側レンズ１６及びファイバ側レンズ１７を備える。素子側レンズ１６及びファイバ側レンズ１７の構成については、図３及び図４を用いて後述する。

図３（ａ）は、実施の形態の光導波路保持部材１２をプリント基板１１に取り付ける前の状態を正面側から示す斜視図であり、図３（ｂ）は、実施の形態の光トランシーバ１０に含まれる光電変換素子１４を拡大して示す図である。

図３（ａ）に示すように、光導波路保持部材１２は、一端１５Ａ側に一体成形される素子側レンズ１６を有する。この素子側レンズ１６は、例えば、直径が０．２ｍｍ程度であり、光電変換素子１４の受発光部とコア部材１５との間を光学的に接続する部材としての機能を有するレンズである。コア部材１５の一端１５Ａと光電変換素子１４の受発光部との間には、例えば５００μｍ程度の空隙があるが、一端１５Ａから放出される光信号は、素子側レンズ１６で集光され、光電変換素子１４の受発光部に入射する。また、逆方向についても同様である。

図３（ｂ）に示すように、光電変換素子１４は、プリント基板１１に形成される。光電変換素子１４の受発光部１４Ａは、プリント基板１１の上面と略同一面上に存在する。

なお、ここでは、受発光部１４Ａとして記載するが、実際には、図３（ｂ）に示す一対の光電変換素子１４のうちの一方が光信号を受信して電気信号に変換するための光電変換素子であり、こちらの光電変換素子には受光部が形成される。また、図３（ｂ）に示す一対の光電変換素子１４のうちの他方は電気信号を光信号に変換して発信するための光電変換素子であり、こちらの光電変換素子には発光部が形成される。ここでは、特に両者を区別せず、光電変換素子１４及び受発光部１４Ａと示す。

図４は、実施の形態の光導波路保持部材１２をプリント基板１１に取り付ける前の状態を背面側から示す斜視図である。

図４に示すように、光導波路保持部材１２は、他端１５Ｂ側に一体成形されるファイバ側レンズ１７を有する。このファイバ側レンズ１７は、直径が０．２ｍｍ程度であり、図示しない外部光ファイバとコア部材１５との間を光学的に接続する部材としての機能を有するレンズである。コア部材１５の他端１５Ｂと外部光ファイバとの間には、例えば５００μｍ程度の空隙があるが、他端１５Ｂから放出される光信号は、ファイバ側レンズ１７で集光され、外部光ファイバに入射する。また、逆方向についても同様である。

図５は、実施の形態の光トランシーバ１０と光導波路保持部材１２の位置関係を概略的に示す平面図である。この平面図には、プリント基板１１、光導波路保持部材１２、フランジ１２Ａ、切欠部１２Ｃ、光電変換素子１４、及び受発光部１４Ａの位置関係のみを示す。なお、光導波路保持部材１２は断面で示す。

図５に示すように、実施の形態の光トランシーバ１０では、一対のフランジ１２Ａの長手方向（図中左右の方向）の中心と、すべての受発光部１４Ａの中心は、同一直線ｌ上に位置するように配列される。これにより、フランジ１２Ａ及び受発光部１４Ａは、光導波路保持部材１２の平面視において左右対称に配列されることになる。なお、上述のように、一対の光電変換素子１４のうちの一方が光信号を受信して電気信号に変換するための光電変換素子であり、他方が電気信号を光信号に変換して発信するための光電変換素子である。

ここで、フランジ１２Ａの長手方向の中心は、光導波路保持部材１２をプリント基板１１に接着する際におけるフランジ１２Ａの固定中心である。

また、受発光部１４Ａは、送信用及び受信用の光電変換素子１４の各チャンネル（ここでは４チャンネル型を示す）における光学中心である。

図１（ａ）に示すように光導波路保持部材１２をプリント基板１１に接着する際には、フランジ１２Ａ及び側壁底部１２Ｄに接着剤を塗布して接着部１３Ａを形成し、光導波路保持部材１２の背面側の底部及び側壁底部１２Ｅに接着剤を塗布して接着部１３Ｂを形成する。なお、光導波路保持部材１２の正面側の底部には接着剤を塗布しない構成とした。

このように、本実施の形態の光トランシーバでは、一対のフランジ１２Ａの長手方向（図中左右の方向）の中心（固定中心）と、すべての受発光部１４Ａの光学中心は、同一直線ｌ上に位置するように配列するので、光トランシーバ１０の温度が（例えば、８０〜９０℃程度に）上昇することによって互いに膨張率の異なるプリント基板１１及び光導波路保持部材１２が熱膨張しても、受発光部１４Ａの光学中心と、素子側レンズ１６及びコア部材１５の一端１５Ａの光学中心との位置ずれを抑制できる。

また、接着度合いを上述のように調節したので、熱膨張時に光導波路保持部材１２の背面側の底部及び側壁底部１２Ｅ側からフランジ１２Ａの部分に加わる応力を低減させる。これにより、プリント基板１１への光導波路保持部材１２の接着強度を十分に確保しつつ、上述の位置ずれの抑制効果を保持することができる。

ここで、本実施の形態の光導波路保持部材及び光トランシーバの効果の検証結果について説明する。

プリント基板１１を構成するガラスエポキシ樹脂の線膨張係数は、１．３×１０^−６／℃であり、光導波路保持部材１２を構成するオレフィン系の樹脂の線膨張係数は、７．０×１０^−６／℃である。従来の光トランシーバは、本実施の形態の光トランシーバのように、固定中心と光学中心との位置合わせは行われておらず、プリント基板及び光導波路保持部材の接合位置（固定中心）とそれぞれの光学中心との間の距離が１０〜数１０ｍｍ程度であった。ここで、この距離が１０ｍｍであり、常温（２５℃）で受発光部と光導波路の一端との光学中心が一致されていたとしても、温度が８５℃に上昇すると、プリント基板側における固定中心と光学中心との間の距離は約１０．００７ｍｍになり、光導波路保持部材側における固定中心と光学中心との間の距離は約１０．００３８ｍｍとなり、光学中心同士に約３１μｍの位置ずれが生じる。上述のように、光学中心同士は±数μｍレベルで位置合わせを行う必要があるため、従来の光トランシーバでは、性能低下が生じる可能性がある。

図６は、本実施の形態の光導波路保持部材及び光トランシーバの検証結果を説明するための座標を示す図である。

表１は、本実施の形態の光導波路保持部材及び光トランシーバの検証結果を示す表であり、表２は、従来の光導波路保持部材及び光トランシーバの検証結果を示す表である。

図６に示すように、ｘｙｚ座標を設定する。すなわち、ｘ軸の方向は、図５に示す直線ｌの方向と一致する。また、ｙ軸の方向は、光トランシーバ１０を平面視した状態（すなわち、図５に示す状態）で、直線ｌと直交する方向である。ｚ軸の方向は、ｘ軸及びｙ軸に直交する方向である。なお、受発光部１４Ａと素子側レンズ１６との間のｚ軸方向の距離については、素子側レンズ１６の曲率を調整することによって対応可能であるため、ｘ軸方向及びｙ軸方向の位置ずれで評価を行う。

表１及び表２に示す変位量（ａ、ｂ）及び位置ずれ量（ａ−ｂ）は、光導波路保持部材及び光トランシーバの温度が８５℃における値であり、２５℃のときの値に対する変位量及び位置ずれ量として表している。なお、単位はμｍである。

また、それぞれの表における光学中心１乃至４は、図５に示すように直線ｌ上に対称的に配列されている送信用と受信用の受発光部１４Ａのうち送信用の４つの受発光部１４Ａの光学中心を示しており、フランジ１２Ａに遠い側（すなわち、内側）の光学中心１から順に、フランジ１２Ａに一番近い側の光学中心４までが並んでいるものとして扱う。

表１に示す本実施の形態の光導波路保持部材及び光トランシーバの値と、表２に示す従来の光導波路保持部材及び光トランシーバの値とを比べる次の通りである。

「ｘ軸方向」
従来の光学位置のｘ軸方向の位置ずれ量は、０．５〜１．２（μｍ）であり、本実施の形態の光学位置のｘ軸方向の位置ずれ量は、−０．５〜−０．３（μｍ）に改善されている。ｘ軸方向（直線ｌに沿った方向）における許容範囲は±数μｍ以内であるが、従来の値よりもさらに改善されることが分かった。

「ｙ軸方向」
従来の光学位置のｙ軸方向の位置ずれ量が、−８．５〜−９．６（μｍ）であるのに対して、本実施の形態の光学位置のｙ軸方向の位置ずれ量は、１．１〜１．４（μｍ）に改善されている。従来の値は、許容範囲を上回っているが、本実施の形態で得られる値は、±数μｍの許容範囲内に収まることが確認できた。

なお、ここには示さないが、切欠部１２Ｃの有無が与える影響について検証を行ったところ、切欠部１２Ｃを形成しない場合に比べて、切欠部１２Ｃを形成する場合の方が光導波路保持部材１２の背面側における応力が低下し、位置ずれ量が低下することが判明した。

以上の検証結果より、本実施の形態の光導波路保持部材及び光トランシーバによれば、フランジ１２Ａと、一対のフランジ１２Ａの固定中心と、すべての受発光部１４Ａの光学中心とを同一直線上に配列したことにより、受発光部１４Ａと素子側レンズ１６との温度変化による位置ずれを抑制することができる。特に長手方向（ｙ軸方向）の位置ずれ量を従来の光導波路保持部材及び光トランシーバに比べて大幅に抑制でき、温度変化に対する性能変動性を大幅に改善した光導波路保持部材及び光トランシーバを提供することができる。

以上では、フランジ１２Ａと、一対のフランジ１２Ａの固定中心と、すべての受発光部１４Ａの光学中心とを同一直線上に配列する形態について説明したが、上述のようにプリント基板１１と光導波路保持部材１２とは熱膨張率の異なる部材で構成されるため、厳密に言えば温度変化による位置ずれが生じる。光導波路保持部材１２及び光トランシーバ１０は、温度変化が伴う環境で用いられるため、所定の温度において受発光部１４Ａと素子側レンズ１６との位置ずれが零となるように一対のフランジ１２Ａの固定中心と、すべての受発光部１４Ａの光学中心との位置決めを行ってもよい。ここでいう所定の温度とは、例えば、常温（２５℃）又は使用環境における平均温度に設定することができる。

また、以上の説明では、プリント基板１１に光電変換素子１４が形成されている形態について説明したが、プリント基板１１とは別に作成された光電変換素子１４を実装するように構成してもよい。

また、以上では、光導波路保持部材１２の上面１２Ｆにクラッド材料層及びコア部材１５を形成することによって光導波路を作製する形態について説明したが、光導波路保持部材１２の上面１２Ｆに光ファイバを実装することにより、外部光ファイバと光電変換素子１４との間に光導波路を設けるように構成してもよい。

また、以上では、光導波路保持部材１２の側壁１２Ｂに切欠部１２Ｃを形成する形態について説明したが、必ずしも切欠部１２Ｃを形成する必要はなく、上述の検証結果で示したように、切欠部１２Ｃを備えない光導波路保持部材でも光学中心同士の位置ずれを十分に抑制できる。

以上、本発明の例示的な実施の形態の光導波路保持部材及び光トランシーバについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

実施の形態の光導波路保持部材及び光トランシーバを示す図であり、全体を示す斜視図、（ｂ）は一部を透過的に示す斜視図である。実施の形態の光導波路保持部材を示す斜視図である。（ａ）は、実施の形態の光導波路保持部材をプリント基板に取り付ける前の状態を正面側から示す斜視図であり、（ｂ）は、実施の形態の光トランシーバに含まれる光電変換素子１４を拡大して示す図である。実施の形態の光導波路保持部材をプリント基板に取り付ける前の状態を背面側から示す斜視図である。実施の形態の光トランシーバと光導波路保持部材の位置関係を概略的に示す平面図である。本実施の形態の光導波路保持部材及び光トランシーバの検証結果を説明するための座標を示す図である。

符号の説明

１０光トランシーバ
１１プリント基板
１２光導波路保持部材
１２Ａフランジ
１２Ｂ側壁
１２Ｃ切欠部
１２Ｄ、１２Ｅ側壁底部
１２Ｆ上面
１３Ａ、１３Ｂ接着部
１４光電変換素子
１４Ａ受発光部
１５コア部材
１５Ａ一端
１５Ｂ他端
１６素子側レンズ
１７ファイバ側レンズ
１８フェルール用ピン穴

Claims

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実装され、外部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の光導波路を保持する光導波路保持部材であって、
前記プリント基板に実装される筐体と、
前記筐体の側壁の底部に形成され、前記筐体を前記プリント基板に実装する際に用いられるフランジと、
前記筐体に形成され、前記光導波路の第１端を前記光電変換素子の受発光部に接続する第１接続部と、
前記筐体に形成され、前記光導波路の第２端を前記外部光ファイバに接続する第２接続部と、
前記筐体の側壁の底部に形成される切欠部と
を含み、前記側壁の底部は、前記切欠部により、前記フランジが配設される第１側壁底部と、前記フランジが配設されない第２側壁底部に切り分けられ、前記第１接続部の光学中心と、前記フランジの固定中心とは同一直線上に配列される、光導波路保持部材。
前記光導波路及び前記第１接続部を前記光信号の送信用及び受信用に複数チャンネル数分有し、前記フランジは前記光導波路保持部材の側壁に平面視左右対称に対をなして配設され、すべての第１接続部の光学中心と、前記フランジの固定中心とは同一直線上に配列される、請求項１に記載の光導波路保持部材。
前記フランジ及び前記第１接続部は、前記光導波路保持部材の平面視において左右対称に配列される、請求項２に記載の光導波路保持部材。
前記フランジの固定中心は、前記筐体の前記側壁の長手方向の中心である、請求項１乃至３のいずれかの項に記載の光導波路保持部材。
前記第１接続部に対応する位置に前記光電変換素子が実装又は形成されるプリント基板と、
請求項１乃至４のいずれかの項に記載の光導波路保持部材と
を備える光トランシーバ。