JP4850147B2 - 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、上記のような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においては、光ファイバ等のコネクタである上部構造体を、光素子を含む各種の電子部品が搭載された基板に対して、基板上に搭載した光素子に光ファイバ等を光学的に位置合わせして装着する作業が煩雑であるという問題があった。

また、基板上に搭載した光素子に光ファイバ等を光学的に位置合わせする際に、光ファイバ等と光素子との垂直方向の距離が光素子の周辺に搭載された他の電子部品によって規制されるため、垂直方向の位置合わせのために、光ファイバ等と光素子との間にレンズを配置して光接続をしていた。そしてレンズを使用した場合、着脱する度に光ファイバ等と光素子との高さ合わせをするがあり、光接続のために煩雑な作業を要する場合があった。また、レンズを使用した場合、光モジュールのコストが高くなる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、光接続のためのレンズを省略することができ、光モジュールを低コストで製造することができ、さらに、光接続を容易に着脱することが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ファイバと、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状態で外側部の光軸と光素子側の光軸とが互いに略垂直である様に、且つ、光ファイバ端面が上部構造体の底面と面一になる様に、光ファイバを保持する保持部材を備えた上部構造体と、
光素子を含む複数の電子部品が搭載されており、光素子に対して上部構造体の光ファイバ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着脱自在に配置される電子部品搭載基板と、を備えており、
電子部品搭載基板では、電子部品は、当該基板に立設された壁部に囲まれた単一のキャビティ内に搭載されており、
電子部品搭載基板に立設された壁部に囲まれた前記単一のキャビティを構成する凹部は、前記壁部の上面より、第１深さを有する段差面（３６）と、前記段差面に隣接し該段差面よりも深く位置される隣接面（８１）と、を有し、
前記光素子（４０）は、第１厚みを有し、前記段差面に配置され、
前記他の電子部品（８０）は、前記光素子よりも厚く、前記隣接面に配置されていることを特徴としている。

第２に、本発明の光モジュールは、光信号を伝送する光ファイバと、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状態で外側部の光軸と光素子側の光軸とが互いに略垂直である様に、且つ、光ファイバ端面が上部構造体の底面と面一になる様に、光ファイバを保持する保持部材を備えた上部構造体と、
光素子を含む複数の電子部品が搭載されており、光素子に対して上部構造体の光ファイバ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着脱自在に配置される電子部品搭載基板と、を備えており、
電子部品搭載基板では、電子部品は、当該基板に立設された壁部に囲まれた単一のキャビティ内に搭載されており、
電子部品搭載基板に立設された壁部に囲まれた前記単一のキャビティを構成する凹部は、前記壁部の上面より、第１深さを有する段差面（３６）と、前記段差面に隣接し該段差面よりも浅く位置される隣接面（８１）と、を有し、
前記光素子（４０）は、第１厚みを有し、前記段差面に配置され、
前記他の電子部品（８０）は、前記光素子よりも薄く、前記隣接面に配置されてい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、前記単一のキャビティ内において、
前記光素子の上面と前記他の電子部品の上面は、略同一平面になるように配置されていることを特徴とする。

上記第１の発明によれば、電子部品搭載基板をキャビティ形状とし、光素子を段差面に搭載し、上部構造体を電子部品搭載基板の壁部上面に当接させて光接続するようにしたので、上部構造体の光伝送体と電子部品搭載基板上の光素子との垂直方向の距離を、電子部品搭載基板の壁部上面と段差面により規定することができる。

すなわち、他の電子部品の厚さに制限されることなく、上部構造体の光伝送体の端面と電子部品搭載基板の光素子との光接続のための光学的な条件に応じて、光素子が搭載される段差面のキャビティ深さを適切に設定することができる。

また、このような構成とすることで光接続のためのレンズを省略することができ、その結果、光モジュールを低コストで製造することができる。

さらに、上部構造体を電子部品搭載基板の壁部上面に当接させることで、容易に光接続のための高さ合わせをすることができるので、光接続のための装着作業が容易である。

上記第２の発明によれば、光素子および他の電子部品の相対的な厚さに応じて、当該他の電子部品が搭載された隣接面に対して底上げされた段差面に光素子を搭載するようにしたので、上記第１の発明の効果に加え、当該他の電子部品の厚さにより上部構造体の光伝送体と電子部品搭載基板上の光素子との垂直方向の距離が規制されることがないため、光接続のためのレンズを省略することができ、その結果、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３の発明によれば、光素子および他の電子部品の相対的な厚さに応じて、当該他の電子部品が搭載された隣接面に対して底下げされた段差面に光素子を搭載するようにしたので、上記第１の発明の効果に加え、当該他の電子部品の厚さにより上部構造体の光伝送体と電子部品搭載基板上の光素子との垂直方向の距離が規制されることがないため、光接続のためのレンズを省略することができ、その結果、光モジュールを低コストで製造することができる。

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。

本明細書において、「光素子」には、単一の受発光面を有するものの他、複数の受発光面がアレイ状等に配置された一体のものが含まれる。光素子の具体例としては、ＶＣＳＥＬなどの面発光素子、ＰＩＮフォトダイオードなどの面受光素子が挙げられるが、これらの面発光素子および／または面受光素子の受発光面がアレイ状に配置された一体のものであってもよい。

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を搭載した電子部品搭載基板３０と、異方導電性シート６０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、その上に電子部品搭載基板３０を配置し、さらにその上から上部構造体５を垂直に嵌め込んで図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と電子部品搭載基板３０の光素子４０が光学的に接続し、電子部品搭載基板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。

上部構造体５は、図３（ａ）および図３（ｂ）にも示すように、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１に示すように、保持部材６には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と電子部品搭載基板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３（ａ）および図３（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。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が平行に設けられており、これらのガイド溝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、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のガイド溝と下側部材２０の光ファイバ保持面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。

図４は、電子部品搭載基板３０の上面側斜視図、図５は断面図である。図４に示すように、電子部品搭載基板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と同数の受発光面が並んで配置された光素子４０が搭載されている。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、電子部品の直下あるいはプリント配線３３等を介して、セラミック基板３１を貫通するスルーホールを通じて、セラミック基板３１の裏面に設けられた、たとえばピッチ５００μｍ、直径３００〜３５０μｍ、高さ１０μｍで配置された裏面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電子部品搭載基板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５に示すように、電子部品搭載基板３０は、壁部３２に囲まれたキャビティ３４内に電子部品が搭載されており、光素子４０は、キャビティ３４の底面における底上げされた段差面３６に搭載されている。すなわち、光素子４０が搭載された段差面３６は、ドライバ集積回路装置４１などの他の電子部品が搭載された底面３５から底上げされており、上部構造体５を電子部品搭載基板３０の壁部３２の上面３２ａに当接させて光接続したときに、上部構造体５の光ファイバ７の端面７ａと光素子４０との垂直方向の距離が、電子部品搭載基板３０の壁部３２の上面３２ａと段差面３６により規定されるようになっている。

さらに、電子部品搭載基板３０に壁部３２を設けることで、段差面３６よりも低い底面３５に搭載されたドライバ集積回路装置４１などの他の電子部品が、壁部３２から上方に突出せずにキャビティ３４内に収納されており、これにより上部構造体５を電子部品搭載基板３０の壁部３２の上面３２ａに当接させて光接続できるようになっている。

段差面３６の底面３５からの高さは、光接続の結合効率等を考慮して適宜の高さとすることができ特に制限はないが、たとえば条件に応じて数μｍ〜数百μｍとすることができる。段差面３６は、セラミック基板３１と一体に形成してもよく、あるいは、セラミック基板３１上にポリフェニレンサルファイド樹脂やエポキシ樹脂などの樹脂材からなる段差形成用の部材を配置して段差面３６を形成するようにしてもよい。

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。次いでその上に電子部品搭載基板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、電子部品搭載基板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、電子部品搭載基板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、電子部品搭載基板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、電子部品搭載基板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を介して電子部品搭載基板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、電子部品搭載基板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６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。

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、図７（ａ）のように、電子部品搭載基板３０のキャビティ３４内における他の電子部品８０が搭載された隣接面８１に対して底上げされた段差面３６に光素子４０を搭載したが、光素子４０および他の電子部品８０の相対的な厚さに応じて、図７（ｂ）のように、電子部品搭載基板３０のキャビティ３４内における他の電子部品８０が搭載された隣接面８１に対して底下げされた段差面３６に光素子４０を搭載するようにしてもよい。このように、光素子４０および他の電子部品８０の相対的な厚さに応じた段差面３６を形成することで、他の電子部品８０の厚さに制限されることなく、上部構造体５の光ファイバ７の端面７ａと電子部品搭載基板３０の光素子４０との光接続のための光学的な条件に応じて、光素子４０が搭載される段差面３６のキャビティ３４の深さを適切に設定することができる。

上記の実施形態では、電子部品搭載基板３０と配線基板７０とを異方導電性シート６０を介して電気接続する例を示したが、その他、電子部品搭載基板３０と配線基板７０とを電気コネクタを介して電気接続する構造、電子部品搭載基板３０の裏面電極を配線基板７０にはんだ接続した構造など、電子部品搭載基板３０と配線基板７０との電気接続は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、電子部品搭載基板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構造として、他の機構によるものを用いるようにしてもよい。たとえば、配線基板７０に嵌合穴を設けると共に、上部構造体５にラッチ構造を設けて、上部構造体５のラッチ構造を配線基板７０の嵌合穴に嵌合させて装着す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４は、電子部品搭載基板の斜視図である。 図５は、電子部品搭載基板の断面図である。 図６は、上部構造体と電子部品搭載基板とが光接続された状態を示す断面図である。 図７は、本発明の他の実施形態における光モジュールの電子部品搭載基板の部分断面図である。

符号の説明

１ 光モジュール
５ 上部構造体
６ 保持部材
６ａ 上部構造体の底面
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
２０ 下側部材
３０ 電子部品搭載基板
３１ セラミック基板
３２ 壁部
３２ａ 上面
３３ プリント配線
３４ 単一のキャビティ
３５ 底面
３６ 段差面
４０ 光素子
４１ ドライバ集積回路装置
４２ 位置決めピン
５０ 嵌合部材
５１ 開口部
５２ 突条部
５３ 側板部
５４ 突起部
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
８０ 他の電子部品
８１ 隣接面

Claims (3)

1. 光信号を伝送する光ファイバと、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状態で外側部の光軸と光素子側の光軸とが互いに略垂直である様に、且つ、光ファイバ端面が上部構造体の底面と面一になる様に、光ファイバを保持する保持部材を備えた上部構造体と、
   光素子を含む複数の電子部品が搭載されており、光素子に対して上部構造体の光ファイバ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着脱自在に配置される電子部品搭載基板と、を備えており、
   電子部品搭載基板では、電子部品は、当該基板に立設された壁部に囲まれた単一のキャビティ内に搭載されており、
   電子部品搭載基板に立設された壁部に囲まれた前記単一のキャビティを構成する凹部は、前記壁部の上面より、第１深さを有する段差面（３６）と、前記段差面に隣接し該段差面よりも深く位置される隣接面（８１）と、を有し、
   前記光素子（４０）は、第１厚みを有し、前記段差面に配置され、
   前記他の電子部品（８０）は、前記光素子よりも厚く、前記隣接面に配置されていることを特徴とする光モジュール。
2. 光信号を伝送する光ファイバと、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状態で外側部の光軸と光素子側の光軸とが互いに略垂直である様に、且つ、光ファイバ端面が上部構造体の底面と面一になる様に、光ファイバを保持する保持部材を備えた上部構造体と、
   光素子を含む複数の電子部品が搭載されており、光素子に対して上部構造体の光ファイバ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着脱自在に配置される電子部品搭載基板と、を備えており、
   電子部品搭載基板では、電子部品は、当該基板に立設された壁部に囲まれた単一のキャビティ内に搭載されており、
   電子部品搭載基板に立設された壁部に囲まれた前記単一のキャビティを構成する凹部は、前記壁部の上面より、第１深さを有する段差面（３６）と、前記段差面に隣接し該段差面よりも浅く位置される隣接面（８１）と、を有し、
   前記光素子（４０）は、第１厚みを有し、前記段差面に配置され、
   前記他の電子部品（８０）は、前記光素子よりも薄く、前記隣接面に配置されていることを特徴とする光モジュール。
3. 前記単一のキャビティ内において、
   前記光素子の上面と前記他の電子部品の上面は、略同一平面になるように配置さ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。

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