JP5246136B2

JP5246136B2 - 光送受信器

Info

Publication number: JP5246136B2
Application number: JP2009253328A
Authority: JP
Inventors: 健一田村; 良明石神
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2009-11-04
Filing date: 2009-11-04
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2029-11-04
Also published as: US8608389B2; JP2011099930A; US20110101255A1

Description

本発明は、電気信号と光信号を相互に変換する光送受信器に関するものである。

電気信号と光信号を相互に変換する光送受信器（例えば、光トランシーバ）として、発光素子を含む送信側光電変換部を実装した送信側回路基板と、受光素子を含む受信側光電変換部を実装した受信側回路基板を、各光電変換部が実装された面を互いに向かい合わせて配置したものがある（例えば、特許文献１、特許文献２）。

送信側光電変換部の発光素子と送信側光ファイバの間の光学的な接続、及び受信側光電変換部の受光素子と受信側光ファイバの間の光学的な接続には、送信側と受信側で共通のレンズブロックが用いられている。

特開２００５−８４０９８号公報米国特許第６２１３６５１号明細書

レンズブロックは、送信側光電変換部の発光素子及び受信側光電変換部の受光素子と調芯して取り付ける必要がある。

特許文献２には、レンズブロックの対向する面にそれぞれ形成された開口部（収容部）に、発光素子を有するＣＡＮパッケージと受光素子を有するＣＡＮパッケージをそれぞれはめ込むことにより、レンズブロックと発光素子及び受光素子との調芯を行うことが示されている。

しかしながら、レンズブロックや光素子は製造誤差によるバラツキがあり、はめ込みのような機械的な方法では精度良く調芯できない場合がある。特に、ＶＣＳＥＬ（ＶｅｒｔｉｃａｌＣａｖｉｔｙＳｕｒｆａｃｅＥｍｉｔｔｉｎｇＬａｓｅｒ）などの発光素子アレイ、受光素子アレイを用いた多チャンネルの光送受信器の場合、調芯が複雑になり、機械的な調芯では精度が不十分となる。

調芯の精度が不十分であると、光学的な接続箇所での光信号の損失が大きくなり、信号の劣化が生じるという問題がある。

そこで、本発明の目的は、送信側光電変換部及び受信側光電変換部と高精度に調芯でき、取り付けが容易なレンズブロックの取付構造を有する光送受信器を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、電気信号を光信号に変換する送信側光電変換部と、前記送信側光電変換部が実装される送信側回路基板と、光信号を電気信号に変換する受信側光電変換部と、前記受信側光電変換部が実装される受信側回路基板とを備え、前記送信側回路基板の前記送信側光電変換部を実装した表面と、前記受信側回路基板の前記受信側光電変換部を実装した表面とを向かい合わせて配置した光送受信器であって、前記送信側回路基板と前記受信側回路基板との間に設けられると共に送信側光ファイバ及び受信側光ファイバと光学的に接続され、前記送信側光電変換部から入力された光信号を前記送信側光ファイバに出力すると共に前記受信側光ファイバから入力された光信号を前記受信側光電変換部に出力するためのレンズブロックと、前記レンズブロックを前記送信側光電変換部及び前記受信側光電変換部とそれぞれ調芯した状態で保持すると共に、前記送信側回路基板と前記受信側回路基板とを所定の間隔を隔てて固定するための枠体とを備え、前記枠体は、前記レンズブロックの前記送信側光ファイバ及び前記受信側光ファイバと接続される光ファイバ接続面以外の側面を覆うように形成され、前記レンズブロックの前記側面が接着剤により前記枠体に固定され、前記枠体は、前記送信側光電変換部及び前記受信側光電変換部を囲むように設けられる光送受信器である。

請求項２の発明は、前記送信側回路基板に前記枠体を固定し、固定した前記枠体に前記レンズブロックを前記送信側光電変換部と調芯した状態で保持し、保持された前記レンズブロックと前記受信側光電変換部とを調芯しながら前記受信側回路基板を前記枠体に固定する請求項１に記載の光送受信器である。

請求項３の発明は、前記送信側回路基板は、前記送信側光電変換部が実装される第１のベース部材と、前記第１のベース部材と接続される送信側プリント基板とを備え、前記受信側回路基板は、前記受信側光電変換部が実装される第２のベース部材と、前記第２のベース部材と接続される受信側プリント基板とを備える請求項１又は２に記載の光送受信器である。

請求項４の発明は、前記送信側プリント基板と前記受信側プリント基板のいずれか一方又は両方がリジッドフレキシブルプリント基板からなり、前記送信側プリント基板と前記第１のベース部材との間及び／又は前記受信側プリント基板と第２のベース部材との間はリジッドフレキシブルプリント基板のフレキ部を介して接続される請求項３に記載の光送受信器である。

請求項５の発明は、前記枠体は、前記第１のベース部材及び前記第２のベース部材を構成する材料と線膨張係数の近い材料で構成される請求項３又は４に記載の光送受信器である。

請求項６の発明は、前記枠体の下部と上部の一部には、種々の電子部品や配線をかわすための切り欠き部が形成される請求項１〜５のいずれかに記載の光送受信器である。

請求項７の発明は、前記枠体は、シールド性能を有する金属で形成される請求項１〜６のいずれかに記載の光送受信器である。

本発明によれば、送信側光電変換部及び受信側光電変換部と高精度に調芯でき、取り付けが容易なレンズブロックの取付構造を有する光送受信器を提供することができる。

本発明の一実施の形態に係る光送受信器を示す斜視図である。図１の光送受信器のＡ−Ａ線断面図である。図１の光送受信器をレンズブロック側から見た図である。図１の光送受信器の組み立て方法を説明する図である。本発明の変形例を示す斜視図である。図５のＢ−Ｂ線断面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は本実施の形態に係る光送受信器を示す斜視図であり、図２は図１の光送受信器のＡ−Ａ線断面図であり、図３は図１の光送受信器をレンズブロック側から見た図である。

本実施の形態では、一例として、２４チャンネル（送信１２チャンネル、受信１２チャンネル）の光送受信器について説明する。なお、チャンネル数はこれに限定されず、例えば、１２チャンネル（送信６チャンネル、受信６チャンネル）、又は４チャンネル（送信２チャンネル、受信２チャンネル）であってもよい。

図１、図２に示すように、本実施の形態に係る光送受信器１は、電気信号を光信号に変換する送信側光電変換部２と、送信側光電変換部２が実装される送信側回路基板３と、光信号を電気信号に変換する受信側光電変換部４と、受信側光電変換部４が実装される受信側回路基板５と、これらを内部に納める図示しない筐体とを備える。

送信側回路基板３と受信側回路基板５は、送信側回路基板３の送信側光電変換部２を実装した面と、受信側回路基板５の受信側光電変換部４を実装した面とを向かい合わせて配置される。

送信側回路基板３と受信側回路基板５の間に、レンズブロック８が設けられる。レンズブロック８は、送信側光ファイバ６及び受信側光ファイバ７と光学的に接続される。レンズブロック８は、送信側光電変換部２からの光信号を送信側光ファイバ６に出力すると共に、受信側光ファイバ７からの光信号を受信側光電変換部４に出力する。レンズブロック８は、光学的に透明な材料であるガラス（ＢＫ７、パイレックス（登録商標）、石英など）、樹脂などを用いて作製される。

送信側光電変換部２は、発光素子９と、発光素子９を駆動制御するためのドライバＩＣ（ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）（ＬＤ（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）ドライバ）１０とからなる。発光素子９とドライバＩＣ１０とはボンディングワイヤ１１により接続される。

発光素子９は、単体のＬＤやＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）、又は複数の発光部がアレイ状に並列されたＶＣＳＥＬからなる。本実施の形態では、発光素子９をＶＣＳＥＬで構成した。

送信側回路基板３は、送信側光電変換部２が実装される第１のベース部材１２と、第１のベース部材１２に接続される送信側プリント基板１３とを備える。送信側プリント基板１３としてはリジッド基板やリジッドフレキシブル基板を用いることができる。本実施の形態では、送信側プリント基板１３としてリジッド基板を用いた。

第１のベース部材１２は、板状の基部１４と、基部１４と一体に形成された基部１４よりも厚みが小さい延長部１５とからなる。第１のベース部材１２の裏面（送信側光電変換部２が実装される面と反対側の面）は平坦である。第１のベース部材１２の表面（送信側光電変換部２が実装される面）は基部１４と延長部１５の間で段差１６がある形状である。

第１のベース部材１２は、導電性の部材、例えば銅タングステン（Ｃｕ−Ｗ）やコバールなどの金属からなる。第１のベース部材１２の裏面は、図示しない熱伝導シートを介して筐体に接する。

第１のベース部材１２の基部１４の表面に送信側光電変換部２が実装される。第１のベース部材１２の延長部１５の表面と送信側プリント基板１３の裏面が接着固定される。第１のベース部材１２は送信側回路基板３に形成された図示しないグランドパターンと電気的に接続される。

送信側光電変換部２のドライバＩＣ１０は、配線ピッチ変換用の第１のセラミック基板Ｃ₁を介して送信側プリント基板１３の図示しない配線パターンに接続される。

送信側プリント基板１３は、接続端子１７が形成されてなる第１のカードエッジコネクタ１８を備える。

受信側光電変換部４は、受光素子１９と、受光素子１９からの電気信号を増幅するアンプＩＣ（トランスインピーダンスアンプ：ＴＩＡ）２０とからなる。受光素子１９とアンプＩＣ２０とはボンディングワイヤ２１により接続される。

受光素子１９は、単体のＰＤ（ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）、又は複数のＰＤがアレイ状に並列されたＰＤアレイからなる。本実施の形態においては、受光素子１９をＰＤアレイで構成した。

受信側回路基板５は、受信側光電変換部４が実装される第２のベース部材２２と、第２のベース部材２２に接続される受信側プリント基板２３とを備える。受信側プリント基板２３としてはリジッド基板やリジッドフレキシブル基板を用いることができる。本実施の形態では、受信側プリント基板２３としてリジッド基板を用いた。

第２のベース部材２２は、板状の基部２４と、基部２４と一体に形成された基部２４よりも厚みが小さい延長部２５とからなる。第２のベース部材２２の裏面（受信側光電変換部４が実装される面と反対側の面）は平坦である。第２のベース部材２２の表面（受信側光電変換部４が実装される面）は基部２４と延長部２５の間で段差２６がある形状である。

第２のベース部材２２は、導電性の部材、例えば銅タングステン（Ｃｕ−Ｗ）やコバールなどの金属からなる。

第２のベース部材２２の基部２４の表面に受信側光電変換部４が実装される。第２のベース部材２２の延長部２５の表面と受信側プリント基板２３の裏面が接着固定される。第２のベース部材２２は受信側回路基板５に形成された図示しないグランドパターンと電気的に接続される。

受信側光電変換部４のアンプＩＣ２０は、配線ピッチ変換用の第２のセラミック基板Ｃ₂を介して受信側プリント基板２３の図示しない配線パターンに接続される。

受信側プリント基板２３は、接続端子２７が形成されてなる第２のカードエッジコネクタ２８を備える。

送信側回路基板３と受信側回路基板５との間、より具体的には第１のベース部材１２と第２のベース部材２２との間に、レンズブロック８が設けられる。レンズブロック８は、直方体形状のブロック本体２９からなる。ブロック本体２９は、送信側光ファイバ６及び受信側光ファイバ７に接続される光ファイバ接続面を備える。レンズブロック８は、ブロック本体２９の光ファイバ接続面と反対側の面にＶ字状に形成して構成された第１の反射面３０及び第２の反射面３１とを備える。

ブロック本体２９の光ファイバ接続面に、第１の送信側レンズ３２及び第１の受信側レンズ３３が形成される。さらに、ブロック本体２９の発光素子９と対向する面に第２の送信側レンズ３４が形成され、受光素子１９と対向する面に第２の受信側レンズ３５が形成される。

第１の送信側レンズ３２及び第１の受信側レンズ３３は、ブロック本体２９の光ファイバ接続面に形成されたレンズ溝３６内にそれぞれ収容されるように形成される。これらレンズ３２，３３をレンズ溝３６内に収容されるように形成する理由は、後述するＭＴコネクタ３７との接続面が平坦となるようにして接続性を向上させるためである。

第１、第２の送信側レンズ３２，３４及び第１、第２の受信側レンズ３３，３５は、それぞれＶＣＳＥＬの発光部及びＰＤアレイのＰＤと同じ数だけ並列して形成される（本実施の形態では１２個ずつ）。

送信側光ファイバ６及び受信側光ファイバ７は、その端面をＭＴ（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌｌｙＴｒａｎｓｆｅｒａｂｌｅ）コネクタ３７によって保持される。送信側光ファイバ６及び受信側光ファイバ７は、それぞれ光ファイバを１２本有する。ＭＴコネクタ３７は、送信側光ファイバ６を上段に受信側光ファイバ７を下段に並列した状態で保持している。送信側光ファイバ６及び受信側光ファイバ７は、ＭＴコネクタ３７により、ブロック本体２９の光ファイバ接続面に接続される。ＭＴコネクタ３７を位置合わせしてレンズブロック８に接続するために、レンズブロック８の光ファイバ接続面には位置合わせ用のガイドピンＨが形成される。ＭＴコネクタ３７は穴を備え、ガイドピンＨを穴に挿入して、ＭＴコネクタ３７とレンズブロック８を固定する。なお、ＭＴコネクタ３７は図１には図示していない。

光送受信器１は、送信側プリント基板１３の第１のカードエッジコネクタ１８と受信側プリント基板２３の第２のカードエッジコネクタ２８からなる上下２段のカードエッジコネクタ１８，２８を備える。

光送受信器１は、一端のカードエッジコネクタ１８，２８を接続相手の機器のエッジコネクタソケットに挿し込んで電気的に接続される。なお、本実施の形態では、下方に送信側回路基板３、上方に受信側回路基板５を配置した場合を説明したが、上下逆に配置されていても構わない。

光送受信器１では、機器から電気信号が第１のカードエッジコネクタ１８を介して送信側回路基板３に入力され、送信側光電変換部２の発光素子９において電気信号を光信号に変換し、光信号を基板面に対して垂直方向に出射する。光信号は、レンズブロック８の第１の反射面３０で反射し、９０°光軸を変換し、送信側光ファイバ６へ出力する。また、受信側光ファイバ７から出射された光信号は、レンズブロック８の第２の反射面３１で反射し、９０°光軸を変換し、受信側光電変換部４の受光素子１９へ入射する。受光素子１９は光信号を電気信号に変換し、電気信号は受信側回路基板５の第２のカードエッジコネクタ２８を介して接続相手の機器へ出力される。

本実施の形態に係る光送受信器１は、レンズブロック８を送信側光電変換部２及び受信側光電変換部４とそれぞれ調芯した状態で保持すると共に、送信側回路基板３と受信側回路基板５とを所定の間隔を隔てて固定するための枠体３８を有する。

枠体３８は、第１のベース部材１２と第２のベース部材２２との間に、送信側光電変換部２及び受信側光電変換部４を囲むように、即ちブロック本体２９の光ファイバ接続面以外の側面を覆うように形成される。枠体３８は、エポキシ樹脂などの熱硬化樹脂やＹＡＧ溶接によって各ベース部材１２，２２と接合されて固定される。

また、枠体３８の下部と上部の一部には、種々の電子部品や配線（ボンディングワイヤなど）をかわすための切り欠き部３９，４０が形成される。

枠体３８は、第１のベース部材１２及び第２のベース部材２２を構成する材料と線膨張係数の近い材料、例えばＣｕ−Ｗやコバール、で構成される。ＳＵＳ系の材料を用いてもよい。これにより、光送受信器１の稼働時にドライバＩＣ１０やアンプＩＣ２０などで発生する熱によって、レンズブロック８を保持する枠体３８が各ベース部材１２，２２から剥離したり固定位置がずれたりして、レンズブロック８と各光電変換部２，４との調芯精度が悪化するのを防止できる。

枠体３８はシールド性能を有する金属からなるとよい。これにより、送信側光電変換部２のドライバＩＣ１０から外部へ漏れる電磁波を抑制しＥＭＩ特性を向上させることができる。

図３に示すように、レンズブロック８は、その側面を枠体３８に接着固定されて保持されている。レンズブロック８を枠体３８に固定するための接着剤４１として例えば、ＵＶ硬化樹脂を用いる。レンズブロック８と枠体３８との間隔ｄは３００μｍ程度にされ、接着剤４１が垂れないような間隔にされる。

次に、光送受信器１の組み立て方法を説明する。

図４に示すように、第１のベース部材１２に実装された送信側光電変換部２を囲むように枠体３８を配置し、ＵＶ硬化樹脂やＹＡＧ溶接により第１のベース部材１２の表面に接合して固定する。

その後、枠体３８内にレンズブロック８を配置し、レンズブロック８をｘ方向、ｙ方向、ｚ方向に動かしたりｘ軸、ｙ軸、ｚ軸廻りに回転させたりしながら発光素子９との調芯を行う。具体的な調芯方法としては、例えば発光素子９がＶＣＳＥＬの場合、ＶＣＳＥＬの両端に配置された発光部とレンズブロック８の両端に配置された第１，２の送信側レンズ３２，３４との調芯を行う方法がある。この場合、送信側光ファイバ６に光パワーメータを接続し、光パワーメータで検出されるパワーが最も強くなるようにレンズブロック８の位置を調整する。調芯は例えば±１００μｍ程度の幅、±１μｍ程度の精度でなされる。

レンズブロック８と発光素子９とを調芯した後、その配置を維持したままレンズブロック８の側面に接着剤４１を塗布すると共に硬化させる。これにより、枠体３８内にレンズブロック８が調芯されて保持される。

その後、枠体３８の上部を第２のベース部材２２に実装された受信側光電変換部４を囲むように配置し、ＵＶ硬化樹脂により第２のベース部材２２の表面に接合して固定する。このとき、第２のベース部材２２をｘ方向、ｙ方向に動かしたり、ｚ軸廻りに回転させたりしてレンズブロック８と受光素子１９との調芯を行いながら固定する。具体的な調芯方法としては、例えば受光素子１９がＰＤアレイの場合、ＰＤアレイの両端に配置されたＰＤとレンズブロック８の両端に配置された第２の受信側レンズ３５との調芯を行う方法がある。この場合、ＰＤに電流計を接続し、両端に配置されたＰＤからの電流が最も強く検出されるようにレンズブロック８の位置を調整する。調芯は例えば±１００μｍ程度の幅、±１μｍ程度の精度でなされる。

このように、光送受信器１は送信側回路基板３に枠体３８を接合し、枠体３８内にレンズブロック８を発光素子９と調芯しつつ保持させた後、枠体３８の上部にレンズブロック８と受光素子１９とを調芯しつつ受信側回路基板５を接合して組み立てられる。

枠体３８を先に送信側回路基板３に配置して、レンズブロック８と発光素子９との調芯を行う理由は、受光素子１９との調芯に比べて発光素子９との調芯の方が精度を要するためである。特に、発光素子９では第２の送信側レンズ３４とのｚ方向の距離が重要であるが、受光素子１９では第２の受信側レンズ３５とのｚ方向の距離は発光素子９ほど重要ではないからである。

以上要するに、本実施の形態に係る光送受信器１では、レンズブロック８を送信側光電変換部２及び受信側光電変換部４とそれぞれ調芯した状態で保持すると共に、送信側回路基板３と受信側回路基板５とを所定の間隔を隔てて固定するための枠体３８を設けている。

そのため、各部品の製造誤差によるバラツキに応じて、送信側光電変換部２及び受信側光電変換部４と精度良く調芯でき、また取り付けが容易なレンズブロック８の取付構造を有する光送受信器１を実現できる。

本実施の形態では、送信側プリント基板１３と受信側プリント基板２３をリジッド基板で構成したが、図５、図６に示すように、送信側プリント基板１３と受信側プリント基板２３のどちらか一方又は両方（図５、図６では両方）をリジッドフレキシブルプリント基板４２，４３で構成し、そのフレキ部４４，４５で第１，第２のベース部材１２，２２に接続するようにしてもよい。

この場合、配線ピッチ変換用の第１，第２のセラミック基板Ｃ₁，Ｃ₂の代わりにフレキ部４４，４５で配線ピッチ変換ができるため、部品点数を削減できる。

各ベース部材１２，２２と各プリント基板１２，２２が剛に固定されている場合は、レンズブロック８と各光素子９，１９との調芯により各ベース部材１２，２２の位置がずれると各カードエッジコネクタ１８，２８が形成された各プリント基板１３，２３の位置もずれてしまう。この場合、各カードエッジコネクタ１８，２８を規格に定められた位置に配置しようとすると各プリント基板１３，２３に応力がかかることとなる。

これに対して、送信側プリント基板１３と受信側プリント基板２３をリジッドフレキシブルプリント基板４２，４３で構成した場合には、フレキ部４４，４５で応力を逃がすことができ、送信側プリント基板１３と受信側プリント基板２３に応力をかけることなく、各カードエッジコネクタ１８，２８を規格に定められた位置に配置することができる。

１光送受信器
２送信側光電変換部
３送信側回路基板
４受信側光電変換部
５受信側回路基板
８レンズブロック
３８枠体

Claims

電気信号を光信号に変換する送信側光電変換部と、
前記送信側光電変換部が実装される送信側回路基板と、
光信号を電気信号に変換する受信側光電変換部と、
前記受信側光電変換部が実装される受信側回路基板とを備え、
前記送信側回路基板の前記送信側光電変換部を実装した表面と、前記受信側回路基板の前記受信側光電変換部を実装した表面とを向かい合わせて配置した光送受信器であって、
前記送信側回路基板と前記受信側回路基板との間に設けられると共に送信側光ファイバ及び受信側光ファイバと光学的に接続され、前記送信側光電変換部から入力された光信号を前記送信側光ファイバに出力すると共に前記受信側光ファイバから入力された光信号を前記受信側光電変換部に出力するためのレンズブロックと、
前記レンズブロックを前記送信側光電変換部及び前記受信側光電変換部とそれぞれ調芯した状態で保持すると共に、前記送信側回路基板と前記受信側回路基板とを所定の間隔を隔てて固定するための枠体とを備え、
前記枠体は、前記レンズブロックの前記送信側光ファイバ及び前記受信側光ファイバと接続される光ファイバ接続面以外の側面を覆うように形成され、
前記レンズブロックの前記側面が接着剤により前記枠体に固定され、
前記枠体は、前記送信側光電変換部及び前記受信側光電変換部を囲むように設けられる
光送受信器。
前記送信側回路基板に前記枠体を固定し、固定した前記枠体に前記レンズブロックを前記送信側光電変換部と調芯した状態で保持し、保持された前記レンズブロックと前記受信側光電変換部とを調芯しながら前記受信側回路基板を前記枠体に固定する請求項１に記載の光送受信器。
前記送信側回路基板は、前記送信側光電変換部が実装される第１のベース部材と、前記第１のベース部材と接続される送信側プリント基板とを備え、
前記受信側回路基板は、前記受信側光電変換部が実装される第２のベース部材と、前記第２のベース部材と接続される受信側プリント基板とを備える請求項１又は２に記載の光送受信器。
前記送信側プリント基板と前記受信側プリント基板のいずれか一方又は両方がリジッドフレキシブルプリント基板からなり、
前記送信側プリント基板と前記第１のベース部材との間及び／又は前記受信側プリント基板と第２のベース部材との間はリジッドフレキシブルプリント基板のフレキ部を介して接続される請求項３に記載の光送受信器。
前記枠体は、前記第１のベース部材及び前記第２のベース部材を構成する材料と線膨張係数の近い材料で構成される請求項３又は４に記載の光送受信器。
前記枠体の下部と上部の一部には、種々の電子部品や配線をかわすための切り欠き部が形成される請求項１〜５のいずれかに記載の光送受信器。
前記枠体は、シールド性能を有する金属で形成される請求項１〜６のいずれかに記載の光送受信器。