JP4874181B2 - 光導波路保持部材及び光トランシーバ - Google Patents

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を双方向に変換する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、前記光導波路の第１端を前記光電変換素子の受発光部に光学的に接続する第１接続部と、前記光導波路の第２端を前記外部光ファイバに光学的に接続する第２接続部と、前記第１接続部及び前記第２接続部に、当該第１接続部及び前記第２接続部と一体成形されるレンズと、前記第１接続部及び前記第２接続部を保持するとともに、当該第１接続部及び当該第２接続部の間に形成される光導波路を保持する筐体とを含み、前記第１接続部、前記第２接続部、前記レンズ、及び前記筐体は、前記プリント基板よりも線膨張率の大きなポリマー材料にカーボンナノチューブ又はカーボンフラーレンを含有してなるクラッド材料により一体成形され、前記光導波路は、前記プリント基板よりも線膨張率の大きなポリマー材料で形成され、前記カーボンナノチューブの長さは前記光信号の波長以下である。

本発明の一局面の光トランシーバは、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）はプリント基板のみを示す斜視図である。

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はプリント基板１１に接着される。

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１３が形成される。光電変換素子１３は、図示しない銅配線を介してプリント基板１１上に形成されるＩＣ等と接続される。なお、光電変換素子１３は受発光部１３Ａがプリント基板１１の上面と略同一面上に位置するように形成されるが、説明の便宜上、その輪郭を図１（ｂ）では実線で示す。

図２は、本実施の形態の光導波路保持部材の筐体を示す図であり、（ａ）は正面、平面、及び右側面を示す斜視図、（ｂ）は底面、背面、及び左側面を示す斜視図である。

光導波路保持部材１２は、カーボンナノチューブを含有するクラッド材料で構成される筐体１２Ａを有する。このクラッド材料は、オレフィン系の樹脂で構成される。

筐体１２Ａは、背面側の接続部１２Ｂに接続される外部光ファイバ（図示せず）と、底面側に配設される光電変換素子１３との間で光信号を伝送するための光導波路を保持する部材である。光導波路は、光導波路形成面１２Ｃに形成される。この光導波路形成面１２Ｃは、筐体１２Ａの上面側から正面側にかけて略９０度湾曲しており、円柱体の外周面の略１／４分に相当する３次元的な形状を有する。なお、接続部１２Ｂには、外部光ファイバのフェルールを位置決めするためのピン穴が両側に設けられている。

図２（ａ）に示すように光導波路形成面１２Ｃには、溝１２Ｄが形成されており、この溝１２Ｄ内にコア部材１４（図１参照）が注入される。このコア部材１４の上面には、クラッド材料性のフィルム（図示せず）が形成される。このようにして、光導波路形成面１２Ｃに光ファイバが形成されることになる。図１にはコア部材１４が８本形成されている状態を示す。

筐体１２Ａの底部（底面側の部分）には、光電変換素子１３の受発光部１３Ａとの間で光信号を授受するための素子側レンズ１２Ｅが一体成形され、筐体１２Ａの背面（の接続部１２Ｂ内）には、外部光ファイバとの間で光信号を授受するためのファイバ側レンズ１２Ｆが一体成形される。素子側レンズ１２Ｅ及びファイバ側レンズ１２Ｆが形成される位置は、コア部材１４の両端に向き合う位置である。

素子側レンズ１２Ｅは、例えば、直径が０．２ｍｍ程度であり、導波路保持部材１２がプリント基板１１に接着された状態において、光電変換素子１３の受発光部１３Ａとコア部材１４との間を光学的に接続するレンズである。

コア部材１４と光電変換素子１３の受発光部１３Ａとの間には、例えば５００μｍ程度の空隙があるが、コア部材１４から放出される光信号は、素子側レンズ１２Ｅで集光され、光電変換素子１３の受発光部１３Ａに入射する。また、逆方向についても同様である。

なお、ここでは、受発光部１３Ａとして記載するが、実際には、図１（ｂ）に示す一対の光電変換素子１３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１（ｂ）に示す一対の光電変換素子１３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１３及び受発光部１３Ａと示す。

また、ファイバ側レンズ１２Ｆは、直径が０．２ｍｍ程度であり、導波路保持部材１２がプリント基板１１に接着された状態において、図示しない外部光ファイバとコア部材１４との間を光学的に接続するレンズである。

このファイバ側レンズ１２Ｆは、筐体１２の接続部１２Ｂに形成される。コア部材１４とファイバ側レンズ１２Ｆとの間、及び、ファイバ側レンズ１２Ｆと外部光ファイバとの間には、それぞれ、例えば５００μｍ程度の空隙があるが、コア部材１４から放出される光信号は、ファイバ側レンズ１２Ｆ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。

ここで、筐体１２Ａは、オレフィン系の樹脂にカーボンナノチューブを含有するクラッド材料で構成される。このカーボンナノチューブとしては、長さが約８００ｎｍ、直径が１ｎｍのものを用いる。長さを８００ｎｍとする理由は、筐体１２Ａは素子側レンズ１２Ｅ及びファイバ側レンズ１２Ｆと一体成型されるため、素子側レンズ１２Ｅ及びファイバ側レンズ１２Ｆを透過する光信号の損失を抑えるためであり、そのために光信号（レーザ光）の波長（８００ｎｍ〜１６００ｎｍ）よりも短くするためである。

また、オレフィン系の樹脂の線膨張率は約７０ｐｐｍ／℃であり、一方、カーボンナノチューブの線膨張率は約７ｐｐｍ／℃である。

このため、カーボンナノチューブを含有させることによって筐体１２Ａの線膨張率を低下させることができ、その含有率（重量比）を最適化することにより、光トランシーバ１０の温度が使用中に上昇しても、素子側レンズ１２Ｅと受発光部１３Ａの位置ずれの発生を抑制することができる。

素子側レンズ１２Ｅの光学中心と受発光部１３Ａとの光学中心との位置精度は、例えば、±０．５〜２０μｍ程度のレベルが要求される。このため、カーボンナノチューブの含有率は、例えば、光導波路保持部材１２のプリント基板１１に対する固定位置から素子側レンズ１２Ｅまでの長さ等を考慮して、温度上昇による位置ずれが上述の位置精度以下（すなわち許容限度内）となるように設定されればよい。

なお、プリント基板１１の線膨張率は約１４ｐｐｍ／℃、コア部材１４の線膨張率は約７０ｐｐｍ／℃、光導波路保持部材１２をプリント基板１１に接着するための接着剤の線膨張率は約７０ｐｐｍ／℃である。このため、これらの部材の線膨張率を考慮してカーボンナノチューブの含有率を決定してもよい。

オレフィン系の樹脂のようなポリマー材料の線膨張率を低下させるために、従来はガラス繊維又はガラスビーズ等がフィラーとして用いられていた。しかし、ガラス繊維やガラスビーズ等とポリマー材料との屈折率の相違により、光信号の乱反射が生じるため、本実施の形態のように素子側レンズ１２Ｅ及びファイバ側レンズ１２Ｆが一体成形される筐体１２Ａの材料には不向きであった。

これに対して本実施の形態では、カーボンナノチューブをフィラーとして用いることにより、光学的特性の劣化を防止しつつ、温度変化による性能低下を抑制した光導波路保持部材１２及び光トランシーバ１０を提供することができる。

なお、以上では、一例として光信号の波長が８００ｎｍ〜１６００ｎｍである場合について説明したが、波長がさらに短い場合には、その波長以下のカーボンナノチューブを用いればよい。

また、以上では、カーボンナノチューブを含有するクラッド材料で一体成形する光導波路保持部材について説明したが、カーボンナノチューブの代わりに、又は、カーボンナノチューブに加えて、クラッド材料にカーボンフラーレンを含有させて光導波路保持部材を一体成形してもよい。カーボンフラーレンは、直径が約０．７ｎｍ程度であり、また、線膨張率はカーボンナノチューブと略同一であるため、カーボンナノチューブの代わりにクラッド材料に含有させれば、上述のようにカーボンナノチューブを含有させる場合と同様の結果を得ることができる。

また、以上では、プリント基板１１に光電変換素子１３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１３を実装するように構成してもよい。

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。

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）はプリント基板のみを示す斜視図である。 本実施の形態の光導波路保持部材の筐体を示す図であり、（ａ）は正面、平面及び右側面を示す斜視図、（ｂ）は底面、背面、及び左側面を示す斜視図である。

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 筐体
１２Ｂ 接続部
１２Ｃ 光導波路形成面
１２Ｄ 溝
１２Ｅ 素子側レンズ
１２Ｆ ファイバ側レンズ
１３ 光電変換素子
１３Ａ 受発光部
１４ コア部材

Claims (2)

1. 電気信号と光信号とを双方向に変換する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、
   前記光導波路の第１端を前記光電変換素子の受発光部に光学的に接続する第１接続部と、
   前記光導波路の第２端を前記外部光ファイバに光学的に接続する第２接続部と、
   前記第１接続部及び前記第２接続部に、当該第１接続部及び前記第２接続部と一体成形されるレンズと、
   前記第１接続部及び前記第２接続部を保持するとともに、当該第１接続部及び当該第２接続部の間に形成される光導波路を保持する筐体と
   を含み、前記第１接続部、前記第２接続部、前記レンズ、及び前記筐体は、前記プリント基板よりも線膨張率の大きなポリマー材料にカーボンナノチューブ又はカーボンフラーレンを含有してなるクラッド材料により一体成形され、
   前記光導波路は、前記プリント基板よりも線膨張率の大きなポリマー材料で形成され、
   前記カーボンナノチューブの長さは前記光信号の波長以下である、光導波路保持部材。
2. 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に記載の光導波路保持部材と
   を備える光トランシーバ。

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