JP2013156375A

JP2013156375A - 光モジュール

Info

Publication number: JP2013156375A
Application number: JP2012015823A
Authority: JP
Inventors: Shugen Ryu; 主鉉柳; Hironori Yasuda; 裕紀安田; Mitsuki Hirano; 光樹平野; Yoshinori Sunaga; 義則須永
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2012-01-27
Publication date: 2013-08-15
Anticipated expiration: 2032-01-27
Also published as: US9031361B2; US20130216179A1; CN203037900U; JP5834963B2

Abstract

【課題】光ファイバを確実に保持しながら、小型化を図ることが可能な光モジュールを提供する。
【解決手段】光モジュール１は、回路基板２と、回路基板２の実装面２ａに実装された光電変換素子３１と、光ファイバを保持すると共に、光ファイバ９と光電変換素子３１とを光学的に結合する光結合部材４と、回路基板２の実装面２ａに実装され、光電変換素子３１に電気的に接続された半導体回路素子３２と、回路基板２との間に光結合部材４を挟むように配置された板状の支持基板５とを備え、支持基板５の側面５０ｄ，５０ｆには、支持基板５の厚さ方向に延びる導電性の金属箔５１が一体に形成され、金属箔５１の一端が回路基板２の非実装面２ｂに設けられた電極２２２に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバを介して信号の伝送を行う光モジュールに関する。

従来、電気エネルギーを光エネルギーに、又は光エネルギーを電気エネルギーに変換する光電変換素子を備え、光ファイバを介して信号の送信又は受信を行う光モジュールが知られている（特許文献１参照）。

特許文献１に記載の光モジュールは、板状の第１〜第４基板と、ＩＣ基板と、光モジュールを他の回路装置に電気的に接続するためのコネクタとを有している。第１基板には、発光素子又は受光素子が実装されている。ＩＣ基板には、発光素子に電気信号を送信する回路、又は受光素子の電気信号を増幅する回路が形成されている。第２基板には、光ファイバが挿入される挿入ガイド溝が形成され、この挿入ガイド溝に挿入された光ファイバが第２基板と第３基板との間に挟持されている。ＩＣ基板は、光ファイバの延伸方向に沿って、第３基板との間に第１基板を挟むように設置されている。つまり、第３基板，第１基板，及びＩＣ基板が、光ファイバの延伸方向に沿って、この順序で並んでいる。また、第１基板，第３基板，及びＩＣ基板は、これらの各基板よりも大型の第４基板の上面に設置され、コネクタは第４基板の下面に取り付けられている。

特開２０１１−９５２９５号公報

近年、光通信の普及により、様々な装置に光モジュールが搭載されるようになっている。そして、装置によっては、光モジュールの小型化及び軽量化が強く望まれる場合がある。このような光モジュールの用途としては、例えば折り畳み式又はスライド式の携帯電話の操作部（キーボード搭載部）と表示部（ディスプレイ搭載部）との間の通信が挙げられる。

特許文献１に記載の光モジュールは、第４基板の上面に第１基板及び第３基板が設置され、さらに第３基板の上に第２基板が設置されているので、コネクタの上に３つの基板が積層された構造となっている。このため、光モジュールの厚さ方向の寸法が増大する。

また、特許文献１に記載の光モジュールは、その全長（光ファイバの延伸方向の長さ）を短くしようとした場合、例えば第２基板と第３基板を小型化して挿入ガイド溝を短縮することが考えられる。しかし、挿入ガイド溝を短縮すると、光ファイバの保持剛性が低くなり、光ファイバが抜け出しやすくなってしまう。このため、光モジュールの全長を短縮することに構造上の制約がある。

そこで、本発明は、光ファイバを確実に保持しながら、小型化を図ることが可能な光モジュールを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決することを目的として、回路基板と、前記回路基板の実装面に実装された光電変換素子と、光ファイバを保持すると共に、光ファイバ９と前記光電変換素子とを光学的に結合する光結合部材と、前記回路基板の前記実装面に実装され、前記光電変換素子に電気的に接続された半導体回路素子と、前記回路基板との間に前記光結合部材を挟むように配置された板状の支持基板とを備え、前記支持基板の側面には、前記支持基板の厚さ方向に延びる導電性の金属箔が一体に形成され、前記金属箔の一端が前記回路基板の非実装面に設けられた電極に接続されている光モジュールを提供する。

また、前記支持基板は、導電性の金属箔が中心軸に沿って形成された絶縁性の材料からなる棒状の基材を、前記中心軸に直交する断面で前記金属箔と共にダイシングして得てもよい。

また、前記光結合部材は、前記支持基板側に開口して前記光ファイバの先端部を収容する溝部を有し、前記支持基板は、前記溝部に収容された前記光ファイバの先端部を前記光結合部材との間に挟持するとよい。

また、前記支持基板は、前記光結合部材に向かい合う第１の平面とは反対側の第２の平面から、前記溝部に収容された前記光ファイバの先端部を視認可能な透光性を有するとよい。

本発明に係る光モジュールによれば、光ファイバを確実に保持しながら、小型化を図ることが可能となる。

本実施の形態に係る光モジュールを示す斜視図である。光モジュールが電子回路基板に搭載された状態を示す側面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。回路基板を示し、（ａ）は実装面の平面図、（ｂ）は非実装面の平面図である。光結合部材を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ），（ｄ）は斜視図である。カバーレイを示す斜視図である。枠体を示す斜視図である。支持基板を示し、（ａ）は左側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図、（ｄ）は斜視図である。支持基板がダイシングされる棒状部材の斜視図である。

［実施の形態］
以下、本発明の実施の形態に係る光モジュールの一構成例を、図１〜図９を参照して説明する。

図１は、本実施の形態に係る光モジュール１を示す斜視図である。図２は、光モジュール１が電子回路基板８に搭載された状態を示す側面図である。図３は、光モジュール１に装着された光ファイバ９の軸線に沿って切断した光モジュール１のＡ−Ａ線断面図である。

この光モジュール１は、図２に示すように、電子回路基板８に搭載して使用される。電子回路基板８は、例えばガラス繊維にエポキシ樹脂をしみ込ませて熱硬化処理を施した板状の基材８０に複数の銅箔８１を張り付けたガラスエポキシ基板である。電子回路基板８には、図略のＣＰＵ（Central Processing Unit）や記憶素子等の電子部品が搭載され、光モジュール１に装着される光ファイバ９を伝送媒体とする光通信により、他の電子回路基板又は電子装置との間で信号を送信又は受信する。

光モジュール１は、回路基板２と、回路基板２の実装面２ａに実装された光電変換素子３１と、光ファイバ９を保持すると共に光電変換素子３１と光ファイバ９とを光学的に結合する光結合部材４と、回路基板２の実装面２ａに実装され、光電変換素子３１に電気的に接続された半導体回路素子３２と、回路基板２との間に光結合部材４を挟むように配置された板状の支持基板５とを備えている。

支持基板５の側面には、支持基板５の厚さ方向に延びる導電性の金属箔５１が本体部５０と一体に形成され、金属箔５１の一端が回路基板２の非実装面２ｂに設けられた電極２２２に接続されている。金属箔５１と電極２２２とは、図２に示すように、ハンダ７によって電気的に接続（短絡）されている。なお、図１ではハンダ７の図示を省略している。

また、本実施の形態では、回路基板２の光結合部材４側に絶縁性の樹脂からなるカバーレイ２０（図２，３に示す）が設けられている。そして、カバーレイ２０と回路基板２及び光結合部材４との間、ならびに光結合部材４と支持基板５との間は、接着等の固定手段により相互に固定されている。また、支持基板５には、ステンレス等の金属を屈曲して形成された枠体６が固定されている。枠体６は、光モジュール１に接続される光ファイバ９の外周を三方向から囲むように形成されている。

光モジュール１は、光ファイバ９の延伸方向に沿った全長が例えば１．３ｍｍであり、この方向に直交する幅方向の寸法が例えば１．０ｍｍである。また、光モジュール１の高さ方向（電子回路基板８に垂直な方向）の寸法は例えば０．８ｍｍである。

光電変換素子３１は、電気エネルギーを光に変換し、又は光を電気.エネルギーに変換する素子である。前者の例としては、半導体レーザー素子やＬＥＤ（Light Emitting Diode、発光ダイオード）が挙げられる。また、後者の例としては、フォトダイオードが挙げられる。光電変換素子３１は、回路基板２との対向面に形成された図略の受発光部から光を出射又は入射するように構成されている。

光電変換素子３１が電気エネルギーを光に変換する素子である場合、半導体回路素子３２は、電子回路基板８から入力される電気信号に基づいて光電変換素子３１を駆動するドライバＩＣである。また、光電変換素子３１が光を電気エネルギーに変換する素子である場合、半導体回路素子３２は、光電変換素子３１から入力される信号を増幅して電子回路基板８側に出力するプリアンプＩＣである。

なお、本実施の形態では、光電変換素子３１及び半導体回路素子３２がそれぞれ一つである場合について説明するが、回路基板２に複数の光電変換素子３１及び半導体回路素子３２が実装されていてもよい。

図４は、回路基板２を示し、（ａ）は実装面２ａの平面図、（ｂ）は非実装面２ｂの平面図である。

回路基板２は、柔軟性及び光透過性を有するフィルム状の絶縁体からなる基材２１の表面に、導電性の金属箔からなる複数の電極２２１，２２２が設けられたフレキシブル基板である。光電変換素子３１及び半導体回路素子３２が実装される実装面２ａには、複数の電極２２１が設けられている。実装面２ａの裏側の非実装面２ｂには、複数の電極２２２が設けられている。

複数の電極２２２には、支持基板５の金属箔５１がそれぞれハンダ付けされ、電気的に接続される。本実施の形態に係る光モジュール１では、電極２２２及び金属箔５１が共に６つである。電極２２２は、非実装面２ｂの周縁部に設けられている。

実装面２ａにおける複数の電極２２１は、その機能によって接続用電極２２１ａとテスト用電極２２１ｂとに分類される。接続用電極２２１ａは、光電変換素子３１の端子３１１又は半導体回路素子３２の端子３２１（図２，図３参照）にハンダ付けによって接続される電極である。

テスト用電極２２１ｂは、光モジュール１が電子回路基板８に搭載されていない単体の状態で、光モジュール１の動作試験を行うためのテスト用の電極であり、スルーホール２３によって複数の電極２２２にそれぞれ直接接続されている。テスト用電極２２１ｂには、動作試験用のプローブが接触し、このプローブを介して電源の供給やテスト信号の入出力が行われる。本実施の形態では、複数（４つ）のテスト用電極２２１ｂが、半導体回路素子３２よりも実装面積の小さい光電変換素子３１の周辺に配置されている。

図５は、光結合部材４を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ），（ｄ）は斜視図である。

光結合部材４は、光ファイバ９を保持する保持体４０と、光ファイバ９から出射された出射光を導く導光体４１とを有して構成されている。保持体４０及び導光体４１は共に光ファイバ９を伝搬する伝搬光の波長において透光性を有し、導光体４１は、保持体４０の屈折率よりも高い屈折率を有している。保持体４０は、例えばＰＩ（ポリイミド）からなり、導光体４１は、例えばアクリル、エポキシ、ＰＩ、ポリシロキサン等からなる。

保持体４０は平板状であり、カバーレイ２０に対向する平坦な表（おもて）面４０ａと、表面４０ａに平行で支持基板５に対向する裏面４０ｂとを有している。保持体４０は、支持基板５側に開口して光ファイバ９の先端部を収容する溝部４０１を裏面４０ｂ側に有している。溝部４０１は、半導体回路素子３２と光電変換素子３１との並列方向に沿って延びるように、保持体４０の裏面４０ｂから保持体４０の厚さ方向に表面４０ａに向かって窪むように形成されている。

また、保持体４０は、溝部４０１に連通し、光ファイバ９を伝搬する伝搬光を導く導光体４１を有している。導光体４１は、その中心軸が溝部４０１の延伸方向と平行である。図５（ａ）では、導光体４１を破線で示している。

またさらに、保持体４０には、裏面４０ｂ側に切り欠き部４０３が形成されている。切り欠き部４０３は、保持体４０の一方の側面から他方の側面に亘って形成され、その延伸方向は導光体４１の中心軸に直交している。また、切り欠き部４０３は、側面視で三角形状を呈し、その切り欠き面４０３ａによって導光体４１を終端している。切り欠き部４０３が裏面４０ｂとなす角度は例えば４５°である。なお、切り欠き部４０３には、樹脂を充填してもよい。

導光体４１は、溝部４０１側の一端が入出射面４１ａであり、切り欠き部４０３の切り欠き面４０３ａによって終端された斜面が反射面４１ｂである。入出射面４１ａは、溝部４０１に保持された光ファイバ９のクラッド層９１に囲まれたコア９０（図１に示す）に対向する位置に設けられている。反射面４１ｂは、光電変換素子３１から出射された光を入出射面４１ａ側に、又は入出射面４１ａから入射した光を光電変換素子３１側に、反射する。

保持体４０の溝部４０１に収容された光ファイバ９の先端部は、図２，３に示すように、保持体４０（溝部４０１の底面）と支持基板５との間に挟持される。

図６は、カバーレイ２０を示す斜視図である。

カバーレイ２０は、光透過性を有する平板状の絶縁体である。カバーレイ２０は、例えばＰＩ（ポリイミド）からなる。また、カバーレイ２０は、光結合部材４（保持体４０）の表面４０ａの全面を覆う大きさ及び形状に形成されている。本実施の形態では、表面４０ａに対向するカバーレイ２０の一平面が、表面４０ａと合同である。

図７は、枠体６を示す斜視図である。枠体６は、平板状の基部６０と、基部６０に連接した底壁部６１と、底壁部６１の両端に立設された一対の側壁部６２とを一体に有している。基部６０は、次に説明する支持基板５の裏面５０ｂに接着により固定される。

枠体６は、一対の側壁部６２の間の空間に、光ファイバ９を光結合部材４の溝部４０１に挿入した後に固定するための図略の接着剤を受容し、この接着剤が固化するまで貯留する。

図８は、支持基板５を示し、（ａ）は左側面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は右側面図、（ｄ）は斜視図である。

支持基板５は、直方体状の絶縁性の材料からなる本体部５０と、本体部５０の側面に形成された複数（６つ）の金属箔５１とを一体に有している。本実施の形態では、本体部５０の第１〜第４の側面５０ｃ〜５０ｆのうち、導光体４１に平行で、かつ互いに対向する第２の側面５０ｄ及び第４の側面５０ｆに、それぞれ３つの金属箔５１が形成されている。

金属箔５１は、光結合部材４の裏面４０ｂに向かい合う表（おもて）面５０ａの端部から、その裏側の裏面５０ｂの端部に至るまで、支持基板５の厚さ方向（表面５０ａ及び裏面５０ｂに垂直な方向）に沿って延びるように形成されている。

本実施の形態では、本体部５０がガラスを含有する素材から形成されている。より具体的には、本体部５０は、ガラス繊維にエポキシ樹脂をしみ込ませて熱硬化処理を施したガラスエポキシからなり、本実施の形態では、本体部５０の素材が所謂ＦＲ４（Flame Retardant Type 4）である。また、金属箔５１は、銅を主体とし、この銅の表面に金メッキが施されている。

本体部５０は、その厚みが例えば０．５ｍｍ以下であり、表面５０ａ（第１の平面）とは反対側の裏面５０ｂ（第２の平面）から、光結合部材４の溝部４０１に収容された光ファイバ９の先端部を視認可能な透光性を有している。

図９は、支持基板５の製造過程を示す説明図であり、複数の支持基板５がダイシングにより個片化される前の棒状部材５００を示している。

この棒状部材５００は、支持基板５の本体部５０となる基材５０Ａと、基材５０Ａの中心軸Ｃに沿って基材５０Ａの側面に形成され、支持基板５の金属箔５１となる線状の金属箔５１Ａとを一体に有している。

棒状部材５００は、予め研磨された基材５０Ａの側面を覆うように銅の薄板を張り付けて接着し、この薄板を金属箔５１Ａの形状に適合するようにエッチングし、さらに薄板上に金メッキを施して金属箔５１Ａを形成する。なお、金属箔５１Ａを例えば蒸着によって形成してもよい。また、金メッキに替えてニッケルメッキ又はフラックス処理を施してもよい。

支持基板５は、棒状の基材５０Ａを、その中心軸Ｃに直交する断面で金属箔５１Ａと共にダイシングしてなる。図９では、棒状部材５００の切断線Ｓを一点鎖線で示している。すなわち、棒状部材５００の切断面が、支持基板５の表面５０ａ又は裏面５０ｂとなる。

（光モジュール１の動作）
次に、図２を参照して光モジュール１の動作について説明する。ここでは、光電変換素子３１がＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting LASER、垂直共振器面発光レーザ）であり、半導体回路素子３２がこの光電変換素子３１を駆動するドライバＩＣである場合を中心に説明する。

光モジュール１は、電子回路基板８から動作電源が供給されて動作する。この動作電源は、支持基板５の金属箔５１及び回路基板２を介して光電変換素子３１及び半導体回路素子３２に入力される。また、半導体回路素子３２には、電子回路基板８から金属箔５１及び回路基板２を介して、光ファイバ９を伝送媒体として送信すべき信号が入力される。半導体回路素子３２は、入力された信号に基づいて光電変換素子３１を駆動する。

光電変換素子３１は、回路基板２との対向面に形成された受発光部から、回路基板２の実装面２ａに向かって、実装面２ａに垂直な方向にレーザー光を出射する。図３では、このレーザー光の光路Ｌを二点鎖線で示している。

レーザー光は回路基板２の基材２１及びカバーレイ２０を透過して、光結合部材４に入射する。光結合部材４に入射したレーザー光は反射面４１ｂで反射し、導光体４１に導かれて入出射面４１ａから光ファイバ９のコア９０に入射する。

なお、光電変換素子３１が例えばフォトダイオードであり、半導体回路素子３２がプリアンプＩＣである場合には、光の進行方向が上記とは逆となり、光電変換素子３１が受信した光信号を電気信号に変換して半導体回路素子３２に出力する。半導体回路素子３２は、この電気信号を増幅し、回路基板２及び支持基板５の金属箔５１を介して電子回路基板８側に出力する。

（実施の形態の作用及び効果）
本実施の形態によれば、以下に示す作用及び効果が得られる。

（１）光電変換素子３１及び半導体回路素子３２は、回路基板２に実装され、光ファイバ９はこの回路基板２と支持部材５との間に挟まれた光結合部材４に保持される。これにより、光ファイバ９を保持するための部材を回路基板２の上側（支持部材５との反対側）に設ける必要がなく、光モジュール１の厚さ方向の寸法を小さくできる。

（２）光結合部材４は、回路基板２と支持部材５との間に挟まれるので、光ファイバ９を収容する溝部４０１の長さが直接的に光モジュール１の全長に影響しない。つまり、例えば特許文献１に記載の光モジュールのように、光ファイバを保持する部材と受光素子又は発光素子とが光ファイバの延伸方向に並列している場合には、光ファイバを保持する長さを長くすれば、それに応じて光モジュールの全長が長くなるが、本実施の形態では、光結合部材４と回路基板２とが光モジュール１の厚さ方向に重なるように配置されるので、光モジュール１の大型化を招来することなく光ファイバ９を保持するスペースを確保することができ、光ファイバ９を確実に保持することができる。

（３）光電変換素子３１と半導体回路素子３２は、回路基板２の同じ面（実装面２ａ）に実装されるので、例えば光電変換素子３１が実装面２ａに実装され、半導体回路素子３２がその裏側の面（非実装面２ｂ）に実装された場合に比較して、光モジュール１の厚さ方向の寸法を小さくすることができる。また、光電変換素子３１及び半導体回路素子３２の実装が容易となる。

（４）回路基板２の電極２２２と電子回路基板８の銅箔８１との間に、支持基板５の金属箔５１が介在するので、例えばハンダを引き延ばして電極２２２と銅箔８１と直接的に接続する場合に比較して、接続作業が容易となる。つまり、電極２２２と銅箔８１との間の間隔が０．５ｍｍ程度であれば、これらをハンダによって接続することが可能ではあるが、金属箔５１が介在することにより、電極２２２と銅箔８１とを容易かつ確実に接続することができる。

（５）支持基板５は、棒状部材５００をダイシングして得られるので、例えば直方体状の絶縁部材に導電体を組み合わせる場合に比較して、低コストで製造することが可能である。

（６）本体部５０は、裏面５０ｂ側から光結合部材４の溝部４０１に収容された光ファイバ９の先端部を視認可能な透光性を有しているので、、光ファイバ９を装着する作業を、光ファイバ９の位置を確認しながら確実に行うことができる。

（７）金属箔５１は支持基板５の第２の側面５０ｄ側及び第４の側面５０ｆ側に露出しているので、電子回路基板８の銅箔８１とのハンダ付けによる接続が容易となる。また、金属箔５１と銅箔８１とのハンダ付け後にその接続状態を目視により確認することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、上記に記載した実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。

また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態では、光モジュール１に一本の光ファイバ９が装着された場合について説明したが、これに限らず、複数の光ファイバ９が装着されるように光モジュールを構成してもよい。また、光モジュール１の各部材の材質も、上記したものに限らない。

１…光モジュール、２…回路基板、２ａ…実装面、２ｂ…非実装面、４…光結合部材、５…支持基板、６…枠体、７…ハンダ、８…電子回路基板、９…光ファイバ、２０…カバーレイ、２１…基材、２３…スルーホール、３１…光電変換素子、３２…半導体回路素子、４０…保持体、４０ａ…表面、４０ｂ…裏面、４１…導光体、４１ａ…入出射面、４１ｂ…反射面、５０…本体部、５０ａ…表面（第１の平面）、５０ｂ…裏面（第２の平面）、５０ｃ〜５０ｆ…第１〜第４の側面、５０Ａ…基材、５１…金属箔、５１Ａ…金属箔、６０…基部、６１…底壁部、６２…側壁部、８０…基材、８１…銅箔、９０…コア、９１…クラッド層、２２１，２２２…電極、２２１ａ…接続用電極、２２１ｂ…テスト用電極、３１１，３２１…端子、４０１…溝部、４０３…切り欠き部、４０３ａ…切り欠き面、５００…棒状部材、Ｃ…中心軸、Ｌ…光路、Ｓ…切断線

Claims

回路基板と、
前記回路基板の実装面に実装された光電変換素子と、
光ファイバを保持すると共に、光ファイバと前記光電変換素子とを光学的に結合する光結合部材と、
前記回路基板の前記実装面に実装され、前記光電変換素子に電気的に接続された半導体回路素子と、
前記回路基板との間に前記光結合部材を挟むように配置された板状の支持基板とを備え、
前記支持基板の側面には、前記支持基板の厚さ方向に延びる導電性の金属箔が一体に形成され、前記金属箔の一端が前記回路基板の非実装面に設けられた電極に接続されている
光モジュール。
前記支持基板は、導電性の金属箔が中心軸に沿って形成された絶縁性の材料からなる棒状の基材を、前記中心軸に直交する断面で前記金属箔と共にダイシングしてなる、
請求項１に記載の光モジュール。
前記光結合部材は、前記支持基板側に開口して前記光ファイバの先端部を収容する溝部を有し、
前記支持基板は、前記溝部に収容された前記光ファイバの先端部を前記光結合部材との間に挟持する、
請求項１又は２に記載の光モジュール。
光結合部材は、光ファイバを保持する保持体と、光ファイバから出射された出射光を導く導光体とを有している、
請求項１乃至３の何れか１項に記載の光モジュール。
前記支持基板は、前記光結合部材に向かい合う第１の平面とは反対側の第２の平面から、前記溝部に収容された前記光ファイバの先端部を視認可能な透光性を有する、
請求項３又は４に記載の光モジュール。