JP4867047B2 - 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、保守交換時の作業性などの点から、配線基板に対して垂直に、光接続をさらに容易に着脱できる構造が望まれていた。また、実装密度の向上等の点から光モジュール自体のさらなる小型化も望まれており、これらの要求を満足する製品を低コストで製造することも望まれている。

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、大幅に小型化され、光接続を配線基板面に対して垂直に容易に着脱することが可能であり、しかも低コストで製造可能な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、光信号を伝送する光伝送路と、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光素子とを光学的に接続する光モジュールであって、
外部側の光軸と光素子側の光軸とが互いに垂直となる連続した光伝送路を形成する光伝送体および当該光伝送体を保持する保持部材を備えた上部構造体と、配線基板上に固定され、配線基板に対して電気的に接続された光素子搭載基板と、配線基板上における光素子搭載基板の周囲に固定され、上部構造体を上方から嵌め込むことにより、上部構造体を弾性による下方への押圧力で着脱自在に保持すると共に、光素子搭載基板の光素子に対して上部構造体の光伝送路が光学的に接続される金属製の嵌合部材とを備え、
前記嵌合部材は、方形の開口部を有する底部と、前記底部の対向する２辺から上方に突設し、それぞれの上端部で内方に突出し前記上部構造体を前記嵌合部材に嵌め込んだときに前記保持部材に当接して下方に押圧する突条部を有する一対の保持片とを備え、
前記嵌合部材の底部下面における４隅のそれぞれに対応して突起部を設け、これらの４つの突起部を前記配線基板に当接させて、それ以外の前記嵌合部材の底部下面と前記配線基板の上面との間を離間させた状態で固定することを特徴としている。

第２に、上記第１の光モジュールにおいて、前記嵌合部材における、前記保持片、前記保持片に含まれる前記突条部、前記底部に設けた前記突起部は、いずれも、１枚の板状の金属を折り曲げることにより形成したことを特徴とする。

第３に、上記第１または第２の光モジュールにおいて、光素子搭載基板に位置決めピンが立設されており、上部構造体に、当該位置決めピンが挿入される位置決め穴が設けられていることを特徴とする。

第４に、上記第１から第３のいずれかの光モジュールにおいて、上部構造体の光伝送体は、円弧状に曲げられた構造を有し、光伝送体における外部側の光軸と光素子側の光軸とが互いに垂直であることを特徴とする。

第５に、上記第１から第３のいずれかの光モジュールにおいて、上部構造体の光伝送体の端面近傍に、光伝送路の光軸を垂直に変換する光反射面が設けられていることを特徴とする。

上記第１の発明によれば、上部構造体の光伝送路の光軸を外部側の水平方向から光素子側の垂直下向き方向に変換し、配線基板上の嵌合部材に対して垂直方向に着脱自在とすると共に、配線基板上に光素子搭載基板を電気的に接続する形態で固定する構造としており、上部構造体を嵌合部材に装着することにより、配線基板上に載置された光素子搭載基板に対して上部構造体が位置決めされて上部構造体の光伝送路と光素子搭載基板の光素子とが光学的に接続される。

したがって、光接続を配線基板面に対して垂直に容易に着脱することができ、保守交換等が容易である。さらに、光素子搭載基板が配置される周囲に着脱のための作業用のスペースを設ける必要がなく、配線基板上の実装密度を上げることができると共に、高密度に部品が実装されている中で、ユーザが配線基板上に光モジュールを配置する場所の選択性、拡張性を高めることができる。しかも、簡易な構造の嵌合部材の内部に上部構造体を嵌め込む構造としたことで、光モジュールを全体として大幅に小型化することができ、さらに低コストで光モジュールを製造することができる。

上記第２の発明によれば、嵌合部材の下面部に突起部を設けて、配線基板に対して突起部で当接することにより嵌合部材の下面と配線基板面とを離間させるようにしたので、上記第１の発明の効果に加え、金属などの導電性材料で形成された嵌合部材による、電気的な反射やノイズなどの配線基板上の信号伝送への影響を抑制することができ、光モジュールの動作性能を向上させることができる。

上記第３の発明によれば、上記第２の発明の効果に加え、光素子搭載基板の上に立設された位置決めピンを上部構造体の下面に設けられた位置決め穴に挿入することで、上部構造体の光伝送路と光素子搭載基板の光素子とが水平方向に適切な精度で位置合わせされてこれらを光学的に接続することができる。

上記第４の発明によれば、上部構造体の光伝送体を円弧状に曲げた構造とすることで外部側の光軸と光素子側の光軸とを垂直に変換するようにしたので、上記第１から第３の発明の効果に加え、上部構造体をさらに小型化することができ、しかもレンズ等の別途の光学部材を要しないので光モジュールを低コストで製造することができる。

上記第５の発明によれば、上部構造体の光伝送体の端面近傍に、光伝送路の光軸を垂直に変換する光反射面が設けたので、上記第１から第３の発明の効果に加え、外部側の光軸と光素子側の光軸とを垂直に適切に変換することができる。

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は光接続を切り離した状態、図２は光接続をした状態を示している。図３は、図１の光モジュールにおける光素子搭載基板と嵌合部材を示した図であり、（ａ）は光素子搭載基板を配線基板に接続固定する前の状態を示し、（ｂ）は光素子搭載基板を配線基板に接続固定した状態を示す。

図１および図２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内において、図３（ａ）に示す嵌合部材５０の開口部５１の位置における配線基板７０上に電気的に接続される形態で光素子搭載基板３０が固定されており、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４（ａ）は上部構造体５の上面図、図４（ｂ）は下面図、図４（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４（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４（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５（ａ）および図５（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５（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５（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６（ａ）および図６（ｂ）に示す。

図６（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、たとえば１〜３ｍｍと小さく、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。

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。また、光ファイバ７の強度を確保し、一ずれを抑制するために、ガラスファイバの外周部に厚さ２２．５μｍの樹脂被覆を設けている。

図７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の裏面電極に電気的に接続されている。この裏面電極は、配線基板上に形成されたパッド電極にはんだ接続されている。

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。

図８（ａ）は、嵌合部材５０を上方側から見た斜視図、図８（ｂ）は下方側から見た斜視図、図９（ａ）は上面図、図９（ｂ）は下面図である。嵌合部材５０は、金属等の剛性および弾性を有する材料から形成されており、その底部には略正方形の開口部５１が設けられている。開口部５１の左右の辺は垂直に折り曲げられて上方に延び、その上端部には内方に突出した突条部５２が形成されている。突条部５２は、上部構造体５を嵌合部材５０内に嵌め込んで装着したときに保持部材６の肩部１２に当接して下方に押圧し、これにより上部構造体５が嵌合部材５０内に保持されるようになっている。

嵌合部材５０の下面には、４隅の近傍の対称位置に突起部５４が設けられており、嵌合部材５０は配線基板７０に対して突起部５４で当接して絶縁性接着剤などを用いて固定されている。これにより、嵌合部材５０の下面と配線基板７０の上面とが所定間隔、たとえば１５０μｍ程度もしくはそれ以上の間隔をおいて離間するようになっている。金属などの導電性材料で形成された嵌合部材５０を配線基板７０に対して面接触で固定した場合、電気的な反射やノイズなどにより配線基板７０上の信号伝送に影響し、それにより光モジュール１の動作性能に影響する場合があるが、突起部５４を設けて嵌合部材５０の下面と配線基板７０の上面とを離間させることにより、これらの影響を回避することができる。

以上の構成を備えた光モジュール１を図１のように光接続が切り離された状態から図２のように光接続をした状態に組み立てる際には、図１の配線基板７０上に固定された嵌合部材５０に対して上部構造体５を垂直に嵌め込む。

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。

また、嵌合部材５０に対して上部構造体５を嵌め込むことにより、図１０の断面図に示すように、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とが当接し、これにより、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、上部構造体５において光伝送路の光軸を垂直に変換した構造としては、図１１に示すように、水平に保持した光ファイバ７の端面７ａに４５度の角度をもつ光反射面７１を配置して、信号光を光反射面７１で反射させることで外部側光軸６５ａと光素子側光軸６５ｂとを垂直に変換するものであってもよい。

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をした状態を示す斜視図である。 図３は、図１の光モジュールにおける光素子搭載基板と嵌合部材を示した図であり、（ａ）は光素子搭載基板を配線基板に接続固定する前の状態を示し、（ｂ）は光素子搭載基板を配線基板に接続固定した状態を示す。 図４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５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６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７は、光素子搭載基板の斜視図である。 図８は、嵌合部材を示した図であり、（ａ）は上方側から見た斜視図、（ｂ）は下方側から見た斜視図である。 図９は、嵌合部材を示した図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は下面図である。 図１０は、上部構造体と光素子搭載基板とが光接続された状態を示す断面図である。 図１１は、本発明における上部構造体の他の実施形態を示す断面図である。

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
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
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
５４ 突起部
６５ａ 外部側光軸
６５ｂ 光素子側光軸
７０ 配線基板
７１ 光反射面

Claims (5)

1. 光信号を伝送する光伝送路と、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光素子とを光学的に接続する光モジュールであって、
   外部側の光軸と光素子側の光軸とが互いに垂直となる連続した光伝送路を形成する光伝送体および当該光伝送体を保持する保持部材を備えた上部構造体と、配線基板上に固定され、配線基板に対して電気的に接続された光素子搭載基板と、配線基板上における光素子搭載基板の周囲に固定され、上部構造体を上方から嵌め込むことにより、上部構造体を弾性による下方への押圧力で着脱自在に保持すると共に、光素子搭載基板の光素子に対して上部構造体の光伝送路が光学的に接続される金属製の嵌合部材とを備え、
   前記嵌合部材は、方形の開口部を有する底部と、前記底部の対向する２辺から上方に突設し、それぞれの上端部で内方に突出し前記上部構造体を前記嵌合部材に嵌め込んだときに前記保持部材に当接して下方に押圧する突条部を有する一対の保持片とを備え、
   前記嵌合部材の底部下面における４隅のそれぞれに対応して突起部を設け、これらの４つの突起部を前記配線基板に当接させて、それ以外の前記嵌合部材の底部下面と前記配線基板の上面との間を離間させた状態で固定することを特徴とする光モジュール。
2. 前記嵌合部材における、前記保持片、前記保持片に含まれる前記突条部、前記底部に設けた前記突起部は、いずれも、１枚の板状の金属を折り曲げることにより形成したことを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
3. 光素子搭載基板に位置決めピンが立設されており、上部構造体に、当該位置決めピンが挿入される位置決め穴が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の光モジュール。
4. 上部構造体の光伝送体は、円弧状に曲げられた構造を有し、光伝送体における外部側の光軸と光素子側の光軸とが互いに垂直であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光モジュール。
5. 上部構造体の光伝送体の端面近傍に、光伝送路の光軸を垂直に変換する光反射面が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光モジュール。

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