JP4850149B2 - 光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光モジュールに関するものである。

光を情報伝送媒体とする光通信分野においては、光ファイバ等により伝送される光信号を受信または送信するため、光信号と電気信号とを相互に変換する光素子を備えた光モジュールが用いられている。電気信号から光信号への変換には、垂直共振器表面発光レーザ（Vertical cavity surface-emitting Laser：ＶＣＳＥＬ）に代表される面発光素子が用いられ、光信号から電気信号への変換には、ＰＩＮフォトダイオードに代表される面受光素子が用いられており、これらの光素子は基板に対して電気的に接続され、光ファイバ等は光素子に対して光学的に接続される。

このような光モジュールは、配線基板（プリント配線板あるいはボード）上において光ファイバ等の光配線をする際の作業性や、保守交換の容易性などの点から、光ファイバ等の光伝送体がコネクタを介して着脱可能であることが望ましい。

また、光素子に光ファイバ等を着脱する場合、配線基板に対して水平方向に着脱する構造にすると、光素子を搭載した部品の周辺に光ファイバ等を着脱する作業用のスペースを設けざるを得ないことから、そのスペースには他の部品を実装できず、実装密度を上げられないという問題がある。したがって、光ファイバ等の着脱は配線基板に対して垂直方向に行うことができることが望ましい。

従来、このような要求に対応するものとして、光素子をその受発光面が配線基板に対して水平になるように搭載すると共に、光ファイバ等の端面に反射ミラー等を設けて光軸を垂直に変換したコネクタを用いることで、光ファイバ等と光素子とを垂直方向へ着脱自在に光学的に接続する光モジュールが提案されている（特許文献１参照）。
特開２００６−６５３５８号公報

しかしながら、コネクタの光軸を垂直に変換するために反射ミラーを用いた場合、光モジュールのコストが高くなり、また、反射面で光のロスが生じるという問題があった。

また、コネクタにより光伝送体を着脱する構造においては、光学的な位置合わせの精度と光結合効率を上げるために一般にレンズを配置しているが、レンズは高価であり、また、複数の配線基板を重ねて配置する場合などにはコネクタの上下方向の厚みを小さくして低背化することが望まれるが、レンズを用いた場合、コネクタの低背化が難しいという問題があった。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、レンズ等を用いずに、低コストな構成で入出射の光軸を変換することができ、さらに、大幅に低背化された光モジュールを提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、本発明の光モジュールは、外周部が樹脂材で被覆されており光信号を伝送する並列した複数の光ファイバのそれぞれと、光信号を電気信号に変換し、または電気信号を光信号に変換する複数の光素子のそれぞれとを光学的に接続する光モジュールであって、円弧状に曲げられた構造を有し、外部側の光軸と光素子側の光軸とが互いに垂直である複数の光ファイバおよび当該複数の光ファイバを保持する保持部材を備えた上部構造体と、複数の光素子が搭載されており、複数の光素子のそれぞれに対して上部構造体の複数の光ファイバのそれぞれが光学的に接続されるように上部構造体が上側に位置決めされて配置される下部構造体とを備えており、上部構造体が下部構造体の上に配置されたときに、複数の光ファイバのそれぞれの端面が複数の光素子のそれぞれと対向して配置されることにより複数の光ファイバのそれぞれと複数の光素子のそれぞれとが光学的に接続され、
下部構造体に搭載された複数の光素子は、それぞれ、ボンディングワイヤによって外部に電気的に接続されており、上部構造体の複数の光ファイバは、それぞれ、端面近傍における円弧内側が保持部材から露出しており、上部構造体には、光ファイバの端面近傍における円弧内側に、上部構造体が下部構造体の上に配置されたときに、複数のボンディングワイヤのそれぞれの少なくとも一部が位置する空間である共通のボンディングワイヤの逃げ部が形成されていることを特徴とす。

第２に、上記第１の光モジュールにおいて、前記逃げ部は、光ファイバの直径とのアスペクト比が１：１程度となるようにすべての光ファイバの端面近傍を露出させることで形成されることを特徴とする。

第３に、上記第１または第２の光モジュールにおいて、前記下部構造体には、前記光素子からのボンディングワイヤと接続される光素子のドライバ集積回路装置が前記光素子の後方に配置されており、前記上部構造体の下面には、前記光素子の後方に配置している前記光素子のドライバ集積回路装置の上部空間として、凹部が形成されており、前記凹部は、前方にある前記逃げ部と連通していることを特徴とする。

第４に、上記第１ないし第３のいずれかの光モジュールにおいて、光ファイバの曲率半径が５ｍｍ以下であることを特徴とする。

第５に、上記第１ないし第４のいずれかの光モジュールにおいて、光ファイバにおけるコアとクラッドの屈折率比（コア屈折率／クラッド屈折率）が１．５％以上であることを特徴とする。

上記第１の発明によれば、上部構造体において、光ファイバを円弧状に曲げた構造とすることで入出射の光軸を変換し、下部構造体の光素子に対して光ファイバの端面を対向させて光接続するようにしたので、低コストな構成で入出射の光軸を変換することができ、さらに、上部構造体を大幅に低背化することができるので、光モジュール全体として低背化を実現することができる。

また、光ファイバの外周部が樹脂材で被覆されているので、光ファイバの曲率半径を小さくするために細径の光ファイバを用いて当該ファイバをきつく曲げた場合であっても、光ファイバの強度を十分に確保することができる。

さらに、光ファイバの端面近傍における円弧内側を保持部材から露出させることで、光素子搭載基板の光素子に接続されたボンディングワイヤの逃げ部を設けたので、光接続をしたときに、上部構造体の下面とボンディングワイヤとが接触することを防止することができる。さらに、光ファイバの端面近傍における円弧内側のみを保持部材から露出させることで逃げ部を形成したので、光伝送体の位置決め精度が損なわれることもない。

上記第４の発明によれば、光ファイバの曲率半径を特定値以下としたので、上記の発明の効果に加え、上部構造体を大幅に低背化することができ、光モジュール全体として大幅な低背化を実現することができる。

上記第５の発明によれば、光ファイバにおけるコアとクラッドの屈折率比を特定値以上としたので、上記の発明の効果に加え、光ファイバの曲率半径を小さくするために細径の光ファイバを用いて当該ファイバをきつく曲げた場合であっても、光伝送体からの信号光の漏れを十分に抑制することができる。

本明細書において、「光伝送体」には、ガラス製、樹脂製等の光ファイバ、樹脂製等の光導波路などが含まれる。以下の実施形態では光ファイバを用いた例を説明するが、本発明において適用される光伝送体はこれに限定されるものではなく、光導波路等のように、光伝送路を構成する各種のものを適用することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１および図２は、本発明の一実施形態における光モジュールを示す斜視図であり、図１は光接続および電気接続を切り離した状態、図２は光接続および電気接続をした状態を示している。

図１に示すように、本実施形態の光モジュール１は、光ファイバ７が保持部材６により保持された上部構造体５と、光素子４０を搭載した光素子搭載基板３０および異方導電性シート６０からなる下部構造体２５と、配線基板７０（プリント配線板あるいはボード）上に固定された嵌合部材５０とを備えている。

この光モジュール１は、配線基板７０上の嵌合部材５０内の開口部５１に異方導電性シート６０を配置し、その上に光素子搭載基板３０を配置し、さらにその上から上部構造体５を垂直に嵌めこんで図２に示すように装着することにより、上部構造体５の光ファイバ７と光素子搭載基板３０の光素子４０が光学的に接続し、光素子搭載基板３０と配線基板７０が異方導電性シート６０を介して電気的に接続されるようになっている。図２に示す装着状態の光モジュール１は、全体として、たとえば幅１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ６．４ｍｍのコンパクトなサイズのモジュールを構成している。

図３（ａ）は上部構造体５の上面図、図３（ｂ）は下面図、図３（ｃ）は側面図である。上部構造体５は、樹脂製の保持部材６の背面から、複数本（本実施形態では１２本）の光ファイバ７が並列したテープファイバ８が保持部材６内に水平に入り込み、保持部材６内で光ファイバ７が円弧状に曲げられて図３（ｂ）に示すように光ファイバ７の端面７ａが保持部材６の下面から垂直に露出した構造を有している。

保持部材６の上面における光ファイバ７と平行な両側周縁部には、当該周縁部に沿ってテーパ面を成す一対の肩部１２が設けられており、図１の嵌合部材５０内に嵌め込んで装着したときに嵌合部材５０の上部に設けられた一対の突条部５２が保持部材６の肩部１２に当接して下方に押圧するようになっている。

また、図３（ｂ）に示すように、保持部材６の下面における前方側には、保持部材６の両側面側の対称位置に２つの位置決め穴１１が設けられており、図１の嵌合部材５０内に嵌め込んで装着したときに、光素子搭載基板３０に立設された位置決めピン４２が保持部材６の位置決め穴１１に挿入されて上部構造体５と光素子搭載基板３０とが水平方向に位置決めされるようになっている。

保持部材６は、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように上側部材１０と下側部材２０とから構成されており、上側部材１０と下側部材２０によって光ファイバ７を挟み込んで保持するようになっている。図４（ｂ）に示すように、上側部材１０の下面側には光ファイバ７の円弧形状に対応した曲面上に、たとえば断面Ｖ字状などのガイド溝１４が平行に設けられており、これらのガイド溝１４のそれぞれに光ファイバ７が１本ずつ配置され案内されるようになっている。

一方、図４（ａ）に示すように、下側部材２０の上面側には光ファイバ７の円弧形状に対応した曲面を成す光ファイバ保持面２２が設けられており、上側部材１０と下側部材２０によって光ファイバ７を挟み込むことにより、上側部材１０のガイド溝１４と下側部材２０の光ファイバ保持面２２との間で光ファイバ７を円弧状に曲げられた状態で保持するようになっている。

上部構造体５を組み立てる際には、上側部材１０の両側面部に設けられた２つの係合穴１３に下側部材２０の両側面部に設けられた２つの係合爪２１を係合させることにより上側部材１０と下側部材２０を互いに固定した後、光ファイバ７のテープファイバ８から露出して１本ずつに分かれた先端側部分を、上側部材１０のガイド溝１４に沿って挿入し、複数の光ファイバ７の端面７ａを治具等を用いて揃え、接着剤により固定する。このようにして作製された上部構造体５の上側部材１０、光ファイバ７、および下側部材２０の配置状態を図５（ａ）および図５（ｂ）に示す。

図５（ｂ）に示すように、保持部材６に保持された光ファイバ７は、円弧状に曲げられることにより、水平な外部側光軸６５ａから下方へ向かう光素子側光軸６５ｂへ光軸方向が変換されている。円弧部分の曲率半径Ｒは、好ましくは５ｍｍ以下、より好ましくは１〜３ｍｍである。このように円弧部分の曲率半径Ｒは非常に小さく、上部構造体５の上下方向が低背化され、かつ、水平方向も小型化されている。なお、光ファイバ７の円弧状に曲げられた部分と端面７ａとの間に、たとえば５００μｍ以下の光ファイバ７の直線部分を設けるようにしてもよい。

このように光ファイバ７の円弧部分の曲率半径Ｒを小さくするために、光ファイバ７として直径８０μｍのガラスファイバを用いている。一般的に多く用いられているガラスファイバの直径は１２５μｍであるが、このガラスファイバはたとえば曲率半径１５〜３０ｍｍ程度に曲げると信号光が外部に漏れてしまう。しかし、上記のような細径のガラスファイバを用いることで、信号光の外部への漏れを抑制することができる。

光ファイバ７の外周部は樹脂材で被覆されており、これにより細径の光ファイバ７を補強するようにしている。この樹脂被覆は、厚さ２２．５μｍと薄くしており、これにより光ファイバ７の光学的な位置合わせの精度を確保するようにしている。

光ファイバ７におけるコアとクラッドの屈折率比（コア屈折率／クラッド屈折率）は、好ましくは１．５％以上として当該屈折率比を高くしている。このように高い屈折率比とすることで、信号光の外部への漏れをさらに抑制することができる。

図６は、光素子搭載基板３０の上面側斜視図である。同図に示す光素子搭載基板３０は、外周部に沿って壁部３２が立設された箱状のセラミック基板３１を備えており、セラミック基板３１上の前方側の位置には光ファイバ７と同数の光素子４０が並んで搭載されている。これらの複数の光素子４０は、面発光素子のＶＣＳＥＬと面受光素子のＰＩＮフォトダイオードから構成されている。壁部３２の上面３２ａは光学的基準面を構成しており、上部構造体５の下面に当接することにより、光ファイバ７の端面７ａと光素子４０とが垂直方向に位置決めされる。

セラミック基板３１上における光素子４０の後方には、光素子４０のドライバ集積回路装置４１が搭載されており、光素子４０とドライバ集積回路装置４１はボンディングワイヤによって接続されている。その他、セラミック基板３１上には他の電子部品が搭載されていると共に、セラミック基板３１上の電子部品は、プリント配線３３等から、図示はしないが、セラミック基板３１を貫通するスルーホールを介して、セラミック基板３１の裏面に設けられたピッチ５００μｍ、直径３００〜３５０μｍ、高さ１０μｍのパッド電極に電気的に接続されている。

セラミック基板３１上における光素子４０の両側の位置には、突出高さ２ｍｍ、突出部分の直径０．７ｍｍの一対の位置決めピン４２が立設されており、これらの位置決めピン４２が上部構造体５の位置決め穴１１に挿入されることにより光素子搭載基板３０と上部構造体５が水平方向に位置決めされるようになっている。

光モジュール１を図１のように光接続および電気接続が切り離された状態から図２のように光接続および電気接続をした状態に組み立てる際には、まず、図１の配線基板７０上に固定された嵌合部材５０の開口部５１内に異方導電性シート６０を配置する。次いでその上に光素子搭載基板３０を配置し、さらにその上から上部構造体５を嵌合部材５０に垂直に嵌め込む。

このとき、光素子搭載基板３０の位置決めピン４２が上部構造体５の位置決め穴１１に挿入されて、光素子搭載基板３０に対して上部構造体５が水平方向に所定の精度、たとえば３〜５μｍの精度で位置決めされると共に、保持部材６の側面が嵌合部材５０の側板部５３に規制されて、光素子搭載基板３０が配線基板７０に対して間接的に水平方向に位置決めされる。配線基板７０上には、ピッチ５００μｍ、直径３００〜３５０μｍのはんだバンプが形成されており、これらのはんだバンプに対して、光素子搭載基板３０の下面に設けられたピッチ５００μｍ、直径３００〜３５０μｍの裏面電極が位置合わせされる。

そして、嵌合部材５０の弾性により上部構造体５は下方に押圧され、これにより異方導電性シート６０が加圧されて導通状態となる。これにより、異方導電性シート６０を介して光素子搭載基板３０の裏面電極と配線基板７０上のはんだバンプとが電気的に接続される。

また、光素子搭載基板３０の位置決めピン４２が上部構造体５の位置決め穴１１に挿入されることにより、図７の断面図に示すように光ファイバ７の端面７ａと、光素子４０との水平方向の位置決めがされると共に、保持部材６の下面６ａと光素子搭載基板３０の壁部３２の上面３２ａとが当接することにより、光ファイバ７の端面７ａと、光素子４０との垂直方向の位置決めがされて、これらが光学的に接続される。

このとき、図８に拡大して示したように、光素子搭載基板３０上に並ぶそれぞれの光素子４０はボンディングワイヤ３４を介して外部と電気的に接続されているが、上部構造体５の下面の高さを光ファイバ７の端面７ａと一致させると、光ファイバ７の端面７ａと光素子４０とを所定の距離まで近接させて光接続しようとしたときに、高さがたとえば７０μｍ程度あるボンディングワイヤ３４に上部構造体５の下面が接触してしまうことになる。

そこで、光ファイバ７の端面７ａの近傍における円弧内側を保持部材６から露出させて空間を設け、この空間をボンディングワイヤ３４の逃げ部７５としている。この逃げ部７５は、たとえば、光ファイバ７の直径とのアスペクト比が１：１程度となるように光ファイバ７の端面７ａ近傍を露出させることで形成される。たとえば、樹脂被覆を合わせた直径が１２５μｍの光ファイバ７を用いた場合、光ファイバ７の円弧内側における露出高さを１００μｍ程度することが好ましい。逃げ部７５の高さを大きくし過ぎると、光ファイバ７の位置決め精度が低下してしまう。

以上のようにして、光モジュール１は図２に示す状態で垂直方向へ電気的および光学的に接続され、光ファイバ７を通じて外部との間で伝送される光信号の送受信が可能な状態とされる。

そして、たとえば保守交換時などにおいては、上部構造体５を嵌合部材５０から垂直に抜き出すことで光接続を容易に切り離すことができ、次いで光素子搭載基板３０を異方導電性シート６０上から垂直に取り出すことで電気接続を容易に切り離すことができる。

以上に、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記の実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において各種の変更が可能である。たとえば、上記の実施形態では、下部構造体２５を光素子搭載基板３０および異方導電性シート６０から構成する例を示したが、その他、光素子搭載基板３０を配線基板７０にはんだ接続した構造など、各種の構造とすることができる。

上記の実施形態では、嵌合部材５０を用いて上部構造体５を垂直方向へ着脱自在に装着し、光素子搭載基板３０の光素子４０に対して上部構造体５の光伝送路を光学的に接続するようにしたが、このような機能を有する装着体として、他の機構によるものを用いるようにしてもよい。

光素子４０として、レーザダイオードなどのＶＣＳＥＬ以外の面発光素子を用いてもよく、ＰＩＮフォトダイオード以外の面受光素子を用いるようにしてもよい。

図１は、本発明の一実施形態における光モジュールを示す斜視図であり、光接続および電気接続を切り離した状態を示す。 図２は、図１の光モジュールにおける光接続および電気接続をした状態を示す斜視図である。 図３は、上部構造体を示した図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は下面図、（ｃ）は側面図である。 図４は、保持部材の上側部材および下側部材を示した図であり、（ａ）は上面側の斜視図、（ｂ）は下面側の斜視図である。 図５は、上部構造体の上側部材、光ファイバ、および下側部材の配置状態を示した図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図である。 図６は、光素子搭載基板の斜視図である。 図７は、上部構造体の光ファイバと光素子搭載基板の光素子とが光接続された状態を示す断面図である。 図８は、上部構造体の光ファイバと光素子搭載基板の光素子とが光接続されたときの光接続部分の周囲を示した図である。

符号の説明

１ 光モジュール
５ 上部構造体
６ 保持部材
６ａ 下面
７ 光ファイバ
７ａ 端面
８ テープファイバ
１０ 上側部材
１１ 位置決め穴
１２ 肩部
１３ 係合穴
１４ ガイド溝
２０ 下側部材
２１ 係合爪
２２ 光ファイバ保持面
２５ 下部構造体
３０ 光素子搭載基板
３１ セラミック基板
３２ 壁部
３２ａ 上面
３３ プリント配線
３４ ボンディングワイヤ
４０ 光素子
４１ ドライバ集積回路
４２ 位置決めピン
５０ 嵌合部材
５１ 開口部
５２ 突条部
５３ 側板部
６０ 異方導電性シート
６５ａ 外部側光軸
６５ｂ 光素子側光軸
７０ 配線基板
７５ 逃げ部

Claims (5)

1. 外周部が樹脂材で被覆されており光信号を伝送する並列した複数の光ファイバのそれぞれと、光信号を電気信号に変換し、または電気信号を光信号に変換する複数の光素子のそれぞれとを光学的に接続する光モジュールであって、円弧状に曲げられた構造を有し、外部側の光軸と光素子側の光軸とが互いに垂直である複数の光ファイバおよび当該複数の光ファイバを保持する保持部材を備えた上部構造体と、複数の光素子が搭載されており、複数の光素子のそれぞれに対して上部構造体の複数の光ファイバのそれぞれが光学的に接続されるように上部構造体が上側に位置決めされて配置される下部構造体とを備えており、上部構造体が下部構造体の上に配置されたときに、複数の光ファイバのそれぞれの端面が複数の光素子のそれぞれと対向して配置されることにより複数の光ファイバのそれぞれと複数の光素子のそれぞれとが光学的に接続され、
   下部構造体に搭載された複数の光素子は、それぞれ、ボンディングワイヤによって外部に電気的に接続されており、上部構造体の複数の光ファイバは、それぞれ、端面近傍における円弧内側が保持部材から露出しており、上部構造体には、光ファイバの端面近傍における円弧内側に、上部構造体が下部構造体の上に配置されたときに、複数のボンディングワイヤのそれぞれの少なくとも一部が位置する空間である共通のボンディングワイヤの逃げ部が形成されていることを特徴とする光モジュール。
2. 前記逃げ部は、光ファイバの直径とのアスペクト比が１：１程度となるようにすべての光ファイバの端面近傍を露出させることで形成されることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 前記下部構造体には、前記光素子からのボンディングワイヤと接続される光素子のドライバ集積回路装置が前記光素子の後方に配置されており、
   前記上部構造体の下面には、前記光素子の後方に配置している前記光素子のドライバ集積回路装置の上部空間として、凹部が形成されており、
   前記凹部は、前方にある前記逃げ部と連通していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。
4. 光ファイバの曲率半径が５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光モジュール。
5. 光ファイバにおけるコアとクラッドの屈折率比（コア屈折率／クラッド屈折率）が１．５％以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光モジュール。

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