JP5282988B2 - 光コネクタ - Google Patents

Description

この発明は、第１の光路、例えば基板面と平行に光コネクタ本体の内部に導入された光ファイバの光軸と、第２の光路、例えば光素子の光軸との間で、内部反射による光路変換をしてこれら光軸の結合を行う光コネクタに関する。

光ファイバと回路基板上の光素子との間で光信号の入出力をする光コネクタとして、基板面と平行に導入された光ファイバと前記光素子との間で、内部反射による光路変換をして光信号の入出力を行う光コネクタがある（特許文献１、特許文献２）。ここで内部反射とは、透明体内に入射した光が、透明体を透過することなく外部との境界面（空気等との境界面）で反射する反射を言う。
特許文献１の光コネクタ（光素子モジュール）７１は、図１４に示すように、透明構造体７６に、４５°の斜面７５ａと回路基板７３に対して垂直な垂直面７５ｂとを持つ直角三角形状の突部７５を形成し、光ファイバ７４を突部７５の垂直面７５ｂに突き当てた構造である。突部７５の斜面７５ａが内部反射面（内部反射面と言う場合も７５ａで示す）となる。７４ａは光ファイバのコアを示す。
この光コネクタ７１において、光ファイバ７４の先端から出射した光は、突部７５の垂直面７５ｂから突部７５内に入り、突部７５の斜面すなわち内部反射面７５ａで反射（内部反射）して下向きに直角に光路変換し、回路基板７３上の光素子７２に入射する。また、光素子７２から出射した光は逆の光路で光ファイバ７４に入射する。

また、特許文献２の光コネクタは、透明材料からなる光コネクタ本体に、回路基板と平行な光ファイバ用有底穴を形成し、この光ファイバ用有底穴に挿入固定された光ファイバの先端部前方に、４５°傾斜の斜面を持つ凹部を形成した構成である。前記４５°傾斜の斜面が内部反射面となる。
この光コネクタにおいて、光ファイバの先端から出射した光は、傾斜面で反射（内部反射）して下向きに直角に光路変換し、回路基板上の光素子に入射する。
特開２００１−１７４６７１、図１Ｂ等 特開２００７−１２１９７３、図１等

上記従来の光コネクタはいずれも内部反射方式で光路変換する構造であり、回路基板と平行な光ファイバの先端部の前方に斜面を設けてこれを内部反射面としているが、その斜面すなわち内部反射による光路変換用の斜面（内部反射面）はいずれも透明構造体の突部又は光コネクタ本体の広い表面である。

ところで、内部反射による光路変換用の斜面は、単なる光路変換作用のみを要求される場合であれば平面でよい。
しかし光の結合効率を高めるためには光路変換作用と同時に集光作用を持たせる必要がある。
その場合には、斜面における光ファイバ先端に対向する箇所に、集光作用をする曲面を形成することがある（特許文献１の図２参照）。
しかし、従来の光コネクタのように、透明構造体や光コネクタ本体の外面を直接斜面とする構造では、集光作用をする微小曲面を各光ファイバの光路毎に形成することが簡単でない。すなわち、透明構造体や光コネクタ本体を樹脂成形する場合、金型の一側面に多数の微小曲面（例えば、回転放物線面）を形成する必要があるので、金型の製作が簡単でない。

本発明は上記従来の欠点を解消するためになされたもので、コネクタ内で光路変換をする光コネクタで内部反射方式を採用する場合に、主として、集光作用をする内部反射面を形成することが容易な光コネクタを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、内部反射により、光素子を搭載した回路基板の上面と平行にあけた光ファイバ挿入穴に挿入された光ファイバ側の複数の第1の光路と前記各第１の光路とそれぞれ交差する前記光素子側の複数の第２の光路とを結合する光コネクタにおいて、
光コネクタ本体は樹脂成形品であり、
前記光ファイバ挿入穴の後方は、前記光コネクタ本体の後方に開口する光ファイバ導入用開口部と、前記光コネクタ本体の上方に開口する接着剤を充填する中空部となっており、
前記光ファイバ挿入穴の前方に、前記光コネクタ本体の上方に開口して接着剤を充填可能な凹所が形成され、前記凹所の前記挿入穴の前方は光ファイバの突き当たり面となっており、
前記光コネクタ本体は、前記光ファイバ挿入穴の前方の光コネクタ本体内に内部反射面を有し、
前記光ファイバ挿入穴と前記内部反射面、および前記内部反射面と前記光素子との間の樹脂は透明であり、
前記内部反射面は、光コネクタ本体に外面から各光ファイバ毎に、各光ファイバ延長方向と９０°未満の角度で交差する向きでかつ前記光ファイバ突き当たり面の直近前方の位置に向けてそれぞれあけた有底穴の底面にて形成され、前記有底穴の底面は前記有底穴の軸に関して対称形状であり、
前記内部反射面により前記光ファイバと前記光素子が光結合されていることを特徴とする。

請求項２は、請求項１の光コネクタにおいて、前記有底穴は、光コネクタ本体に、前記光ファイバ延長方向と直交する面に対して９０度未満の角度で傾斜した傾斜外面からあけられていることを特徴とする。

請求項３は、請求項１又は２の光コネクタにおいて、前記有底穴の底面は平面か、あるいは穴開口側に凸の曲面としたことを特徴とする。

請求項４は、請求項３の光コネクタにおいて、前記有底穴の底面が平面である場合に、前記回路基板上の光素子に対するコネクタ本体の入出射面に集光作用をするレンズ部を形成したことを特徴とする。

請求項５は、請求項３の光コネクタにおいて、前記有底穴の底面が穴開口側に凸の曲面である場合に、前記回路基板上の光素子に対するコネクタ本体の入出射面を平面にしたことを特徴とする。

請求項６は、請求項１〜５のいずれか１項の光コネクタにおいて、前記凹所の底に、光ファイバを案内する光ファイバガイド溝が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、光路変換するための内部反射面が、光コネクタ本体の外面からあけた有底穴の底面にて形成されてい
るので、光コネクタ本体の外面そのものを内部反射面とする従来構造と比べて、光コネクタ本体を樹脂成形する金型の製作に困難性がなくなるので、所望の内部反射面を形成することが可能となる。
１つの広い金型面に複数の内部反射面を高精度で設ける場合、１つの広い金型面にすべての内部反射面となる部分を高精度に加工することは容易でないが、光ファイバ毎に有底穴を形成する構造とすることで、個々の有底穴を形成するための金型（中子）の精度と配列ピッチの精度を保持するだけで内部反射面を高精度に形成できる。
内部反射面として集光作用をする内部反射面（球面や回転放物線面である微小曲面）を形成する場合、有底穴を形成するための金型（中子）の先端に微小曲面を精度よく形成することは、大サイズの金型の広い面に複数の微小曲面を高精度に形成する従来品と比べて、かなり容易であり製作コストも安価になる。
また、内部反射面の配列、数、あるいは反射方向に設計変更がある場合にも、金型（中子）の数と方向等の変更で対応することができるから、一枚の金型片に複数の内部反射面を加工する場合に比較して有利である。

本発明の一実施例の光コネクタの斜視図である。 上記光コネクタを取付面の側から見た斜視図である。 上記光コネクタの切欠き斜視図である。 上記光コネクタの平面図である。 光コネクタに形成した有底穴の底面による内部反射面の曲面形状について説明する図である。 図４のＡ−Ａ断面図である。 上記光コネクタに光ファイバを取り付けかつ回路基板に実装した状態で示した断面図である。 図７の要部拡大図である。 光コネクタの他の実施例を示す断面図である。 従来の光コネクタの断面図である。

以下、本発明を実施した光コネクタについて、図面を参照して説明する。

図１は本発明の一実施例の光コネクタ１の斜視図、図２は取付面の側から見た斜視図、図３は切欠き斜視図、図４は平面図、図６は図４のＡ−Ａ断面図、図７は光ファイバを取り付けかつ回路基板に実装した状態で示した断面図である。
この実施例の光コネクタ１は、図７に示すように、光素子２を搭載した光モジュール３に設置されて、光モジュールの面３ａと平行に導入された光ファイバ４と前記光素子２の間で、内部反射による光路変換をして光信号の入出力を行う光コネクタである。
つまり、光ファイバ側の第１の光路と、該第１の光路と交差する光素子側の第２の光路を結合する光コネクタである。
以下、特に断りの無い限り、図７にて紙面左側を前方、紙面右側を後方、紙面上側を上方、紙面下側を下方とする。

光コネクタ１の本体（光コネクタ本体）６は、使用される信号波長（例えば８５０ｎｍ、１３１０ｎｍ、１５５０ｎｍ）の光を効率よく透過する光透過性樹脂からなる樹脂成形品である。光透過性樹脂として、ＰＣ（ポリカーボネイト）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＰＡ（ポリフタルアミド）等を用いることができる。

この光コネクタ本体６には、本体の後方に開口する光ファイバ導入用開口部７と上方に開口する接着剤充填窓８とが連通する中空部９が形成されている。
中空部９における接着剤充填窓８の下方部分には、例えばＶ溝による光ファイバガイド溝１０が設けられ、各光ファイバガイド溝１０の前端（図３〜図７等で左方の端部）から前方に延びる光ファイバ挿入穴１１が形成されている。
光ファイバ４の先端側は被覆が除去された裸光ファイバになっており、この裸光ファイバが光ファイバ挿入穴に挿入される。

光ファイバ挿入穴１１の前方（光ファイバ挿入穴１１の前端の前方）は、本体上面側に開口する凹所１２となっており、凹所１２の前方壁面は光ファイバ突き当たり面１２ａとなっている。光ファイバ挿入穴１１に挿入された光ファイバ４は凹所１２を通過し、凹所１２の前方壁面１２ａに突き当てられている。
なお、この凹所１２の底には、必要に応じてＵ字断面の溝等の光ファイバガイド溝１３が形成されている。

図４に示すように、光コネクタ本体６の光ファイバ突き当たり面１２ａに近接した前方に内部反射面１５ａが形成されている。
１本の光ファイバに対して１個の内部反射面１５ａが形成されている。
つまり、１本の光路に対して１箇所の内部反射面１５ａが形成されている。
この内部反射面１５ａは、光コネクタ本体６の傾斜外面１６から概ね光ファイバ突き当たり面１２ａの直近前方に向けて深くあけた有底穴１５の底面となっている。

図７およびその要部を拡大した図８に基づき、テープ状の多心の光ファイバ４を取り付けた光コネクタ１を説明する。
光ファイバ（光ファイバテープ）４のテープ被覆部を４ｃ、テープ被覆を除去した光ファイバ素線部分を４ｂ、裸ファイバの部分を４ａで示す。
光ファイバテープ４を光ファイバ導入用開口部７から挿入する。
特に図示しないがテープの被覆部分と光ファイバ導入用開口部7との間にはストレインリリーフ用の保護部材が設けられる。
保護部材とは、例えば、弾性体で出来た保護ブーツや、隙間に充填された柔軟な接着剤である。
光ファイバテープ４の先端の樹脂被覆をすべて除去した複数の光ファイバ（裸ファイバ）４ａを光ファイバガイド溝１０を案内としてその前方の複数の光ファイバ挿入穴１１に挿入する。
光ファイバ挿入穴１１の内径は裸光ファイバの外径よりも数μｍ程度大きくなっている。
光ファイバテープ４をさらに押し込んでゆくと、その前方の凹所１２の前方壁面である光ファイバ突き当たり面１２ａに突き当たり、光ファイバテープ４の先端位置が決定される。
次いで、接着剤充填窓８から接着剤１８を充填して光ファイバを固定する。同時に、凹所１２にも接着剤１８’を充填する。接着剤を充填する際に発生する気泡は凹所１２と接着剤充填窓８から排出される。
充填された接着剤1８、１８’は、硬化する際に収縮するが、凹所１２、１８とも外気に通じているために収縮歪み（内部応力）が外部に解放され、光ファイバの位置に影響を及ぼすことはない。
なお、凹所１２を設けない場合は、光ファイバ挿入穴１１の奥端が光ファイバ突き当たり面となる。

光ファイバ４を取り付けた光コネクタ１は、図７のように、ＶＣＳＥＬやＰＤ等の光素子２を搭載した光モジュール３上に、光素子２に対して正しく光結合するように位置決めして取付けられる。なお、本図では、光モジュール３を回路基板１９上に搭載しているが、光モジュール３を用いずに、回路基板１９に光素子を直接搭載し、この回路基板１９に光コネクタ１の取付面（下面）を載置する構成とすることも可能である。

光ファイバ４ａの先端から出射した光は、凹所１２の壁面である光ファイバ突き当たり面１２ａから光コネクタ本体６内の透明樹脂内を透過し、有底穴１５の底面すなわち内部反射面１５ａにて内部反射して下向きに直角に光路変換する。
光路変換した光は、透明樹脂内を通過して光モジュール３上の光素子２に入射する。
光素子２から出射した光は逆の光路を経由して光ファイバ４ａのコアに入射する。

次に内部反射面１５ａの形状について説明する。
有底穴１５の底面（内部反射面）１５ａは、平面あるいは穴開口側に凸の曲面となっている。
光の入出射方向から見た内部反射面の面積は、概ね光のスポット径をカバーする程度になっている。
つまり、光コネクタの内部から見た場合、内部反射面１５ａは平面鏡か、あるいは集光作用をする凹面鏡となっている。
凹面とは、例えば球面、あるいは回転放物線面（パラボラ面）等の非球面による凹面である。
内部反射面が平面である場合、有底穴１５の底面１５ａは、有底穴１５の中心軸１５ｃに対して垂直にすることができる。
例えば、傾斜外面１６の延在方向に対して有底穴１５を垂直に形成すると、有底穴１５底面１５ａは傾斜外面１６と平行になる。
ただし、有底穴１５の中心軸１５ｃは傾斜外面１６にたいして垂直な方向には限定されない。

図８では、底面１５ａは中心軸１５ｃに対して対称な凹面になっている。
そして、凹面であれば、光ファイバ４ａから出射した光を光素子２に正しく焦点を結ぶように集光し、また、光素子２から出射した光を拡散させることなく光ファイバ４ａのコアに入射させる。つまり、光結合効率を向上させることができる。
このようにして、回路基板３上の光素子２と光コネクタ１側の光ファイバ４ａとの間で光信号の入出力を行う。

光コネクタ本体６は例えば射出成形により成形することができる。
この光コネクタ本体６を成形する場合、金型内に形成されるキャビティに光透過性樹脂を充填して成形する。
この場合、有底穴１５を形成する金型部分として、キャビティ内に有底穴１５の形状に対応する形状の金属製のコアピンを配置する。
以下、有底穴１５の底面１５ａが平面でなく穴開口側に凸の曲面である場合について説明する。
丸棒の先端面に凹面をざぐった金属製のコアピン（先端に凹面を持つコアピン）を所定の位置に配置する。
ここで従来の場合と比較すると、従来は金型の外面に複数個の微小曲面を一体加工する。
このため、外面を形成する金型片の一面に複数の微小曲面となる複数の凹部を加工する必要があるが、このような高精度の金型片を製作することは簡単でない。例えば複数の凹部のうちの一部について精度が不良、あるいは凹部の配列ピッチが崩れた場合には、その金型片が不良品となるので金型製作が容易でなく、また、コストも非常に高くなり易い。
しかし、上記光コネクタ本体６の場合、高い精度を要する微小曲面を形成する中子が細い断面が円形なる棒状のコアピンの集合である。
金属製のコアピンの先端を研削加工、欠削加工、その他手段でザグルことにより凹面を精度よく形成することは、大サイズの金型の広い面に複数の凹面を精度良く形成する場合と比較して、かなり容易である。
コアピン先端の微小曲面の精度が不良であった場合は、その１本のコアピンのみを良品と交換すれば済むので、１つの微小曲面の精度不良によっても大サイズの金型片全体がそのままでは使用不可となる従来品と比べて、金型を準備することが容易であり、コストも安くなる。

また、光ファイバの並びピッチ、配列の段数、反射角度を変更したい場合に、従来品の場合、そのピッチに対応する複数の微小曲面を持つ金型片を全く新しく製作しなければならないので、煩雑であり、費用も高くつく。
ここで並びピッチの変更とは、内部反射面の間隔、内部反射面の数等の変更であり、配列の段数の変更とは、横並び一列に並べられ内部反射面を、２列以上となるように配列する場合等をいう。
これに対して、本発明の光コネクタ本体６を樹脂成形する金型の場合、同じコアピンを単に間隔を変えたり、コアピンの配置を適宜変更するだけで済むので、従来品樹脂成形の金型を製作する場合と比べて極めて簡単であり、費用もかからない。
すなわち、例えば微小曲面の角度を変更（光路変換方向を変更）したり、微小曲面のサイズや曲率を変更したりする場合、従来品であれば、内部反射面の仕様変更に対して、新たな仕様の微小曲面あるいは平面を持つ金型片を全く新しく製作しなければならないので、金型費用が高くなる。
これは、微小曲面だけでなく平面である場合も同様である。
これに対して本発明によれば、単にコアピンのみを変更すれば済むので、内部反射面の仕様変更への対応が極めて簡単であり、費用も安く済む。
上記のように、大サイズの金型の広い面に複数の微小な反射面を形成する、という従来構造における金型製作上の困難性がなくなるので、所望の内部反射面を自在に形成することが可能となる。

次に、有底穴１５の底面１５ａによる内部反射面１５ａの曲面形状についてさらに詳しく説明する。
図５は有底穴１５の横断面図であり、本図は図８の場合と同様に、有底穴１５の底面１５ａによる凹反射面１５ａの中心軸は、有底穴１５の中心軸１５cと一致しており、凹反射面１５ａの断面輪郭は中心軸１５cに対して対称形状となっている。
このような対称形状の凹反射面１５ａであれば高精度なものを容易に製造できる。
例えば、第１実施例のようにコアピンが光コネクタ外面から４５度の方向で下向きに配置された場合、光ファイバの光軸と受発光素子の光軸が９０度で交差するようにできる。
なお、特に図示はしないが凹反射面１５ａの曲率が変化するような形状の加工をすることもできる。

光コネクタ１を光モジュール３に取り付ける場合、光モジュール３上の光素子２に対して精度よく位置決めすること必要がある。
この位置決め手段としては、例えば、光コネクタ本体の底面に嵌合凸部を形成し、光モジュール側に前記嵌合凸部を受容する嵌合凹部を設けて位置決めすることができる。
あるいは、光コネクタ本体の底面に嵌合凹部を形成し、光モジュール側に前記嵌合凹部にを嵌合する嵌合凸部を設けて位置決めすることができる。
その他、光コネクタと光モジュールとの間の位置決め手段は適宜設計変更でき種々の形状を採用することができる。

なお、平面は凹面よりも製作が容易であるが、やはり、従来品との有利性は同様である。

図９は、本発明の他の実施例である。
本実施例は、有底穴２５の底面２５ａを平面にして、単なる平面鏡として作用する内部反射面２５ａとなっている。
光コネクタ本体２６の光素子２に対向する部分に凹所２６ｂを形成し、この凹所２６ｂの上面を球面凸状にして集光作用をするレンズ部２８を形成することもできる。
これにより、光ファイバから出射した光を光素子２に正しく焦点を結ぶように集光し、また、光素子２から出射した光を拡散させることなく光ファイバのコアに入射させる。
平面の内部反射面２５ａを形成する場合に限らず、集光作用をする内部反射面を形成する場合にも、レンズ部２８を形成することができる。

上記の各実施例において、光の入出射面（光コネクタ本体の下面（レンズ部２８を形成する場合も含む））を無反射面とすることが、光素子から光ファイバへの光伝達における光損失を低減するために有効である。
無反射面とする手段としては、光の入出射面に、誘電体膜をスパッタリングにより堆積させて無反射（ＡＲ）コーティングを施す方法を採用できる。
また、光の入出射面に微細凹凸形状を、使用される光信号波長より小さい周期で配列した微細構造により、無反射機能を持たせることができる。
また、内部反射面に集光作用を持たせる手段として、実施例では有底穴に回転放物線面を形成したが、有底穴の底面にリング状の凹凸（半径方向に凹凸が繰り返される凹凸）を形成して集光作用を持つ内部反射面とすることもできる。
また、上述の説明では、光コネクタとして説明したが、本発明はいわゆる光ファイバアレイとしての用途に適用することができる。

なお、本発明では、少なくとも光ファイバ挿入穴と内部反射面および光素子との間の光が透過する部分の樹脂が透明であれば良い。他の部分は光が通らない部分であるから有色樹脂、あるいは他の材料で構成することも可能である。

１、２１ 光コネクタ
２ 光素子
３、２３ 回路基板
３ａ、２３ａ 基板面
４ 光ファイバ
６、２６ 光コネクタ本体
２６ａ 設置面
２６ｂ 凹所
７ 光ファイバ導入用開口部
８ 接着剤充填窓
９ 中空部
１０ 光ファイバガイド溝
１１ 光ファイバ挿入穴
１２ 凹所
１２ａ 光ファイバ突き当たり面
１３ 光ファイバガイド溝
１５、２５ 有底穴
１５ａ、２５ａ 内部反射面（有底穴の底面）
１６ 傾斜外面
１８、１８’ 接着剤
２８ レンズ部

Claims (6)

1. 内部反射により、光素子を搭載した回路基板の上面と平行にあけた光ファイバ挿入穴に挿入された光ファイバ側の複数の第1の光路と前記各第１の光路とそれぞれ交差する前記光素子側の複数の第２の光路とを結合する光コネクタにおいて、
   光コネクタ本体は樹脂成形品であり、
   前記光ファイバ挿入穴の後方は、前記光コネクタ本体の後方に開口する光ファイバ導入用開口部と、前記光コネクタ本体の上方に開口する接着剤を充填する中空部となっており、
   前記光ファイバ挿入穴の前方に、前記光コネクタ本体の上方に開口して接着剤を充填可能な凹所が形成され、前記凹所の前記挿入穴の前方は光ファイバの突き当たり面となっており、
   前記光コネクタ本体は、前記光ファイバ挿入穴の前方の光コネクタ本体内に内部反射面を有し、
   前記光ファイバ挿入穴と前記内部反射面、および前記内部反射面と前記光素子との間の樹脂は透明であり、
   前記内部反射面は、光コネクタ本体に外面から各光ファイバ毎に、各光ファイバ延長方向と９０°未満の角度で交差する向きでかつ前記光ファイバ突き当たり面の直近前方の位置に向けてそれぞれあけた有底穴の底面にて形成され、前記有底穴の底面は前記有底穴の軸に関して対称形状であり、
   前記内部反射面により前記光ファイバと前記光素子が光結合されていることを特徴とする光コネクタ。
2. 前記有底穴は、光コネクタ本体に、前記光ファイバ延長方向と直交する面に対して９０度未満の角度で傾斜した傾斜外面からあけられていることを特徴とする請求項１記載の光コネクタ。
3. 前記有底穴の底面は平面か、あるいは穴開口側に凸の曲面としたことを特徴とする請求項１又は２記載の光コネクタ。
4. 前記有底穴の底面が平面である場合に、前記回路基板上の光素子に対するコネクタ本体の入出射面に集光作用をするレンズ部を形成したことを特徴とする請求項３記載の光コネクタ。
5. 前記有底穴の底面が穴開口側に凸の曲面である場合に、前記回路基板上の光素子に対するコネクタ本体の入出射面を平面にしたことを特徴とする請求項３記載の光コネクタ。
6. 前記凹所の底に、光ファイバを案内する光ファイバガイド溝が形成されていることを特徴とする請求項１記載の光コネクタ。

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