JP2017203793A - 電気光変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、光学素子とレンズ部品との組み立てトレランスを向上できる、電気光変換モジュールを提供することを目的とする。【解決手段】電気光変換モジュール１は、主面を有する基板４と、基板４の主面上に搭載されると共に、基板４の主面に平行な面１１と、基板４の主面に平行な方向に延びるガイド部５と、ガイド部５の先端に位置し基板４の主面に略垂直な面を有する突き当て部６と、所定の曲率を有する反射集光レンズ面７とを有するレンズ部品３と、基板４の主面上に搭載され、レンズ部品３の面１１と対向して配置された複数の光学素子２と、を備え、複数の光学素子２は、レンズ部品３の反射集光レンズ面７により、突き当て部６を介してガイド部５に搭載される光導波部品と光学的に結合可能であり、レンズ部品３の面１１は複数の光学素子２に対向する対面部１２を有し、対面部１２と複数の光学素子２は離れている。【選択図】図５

Description

本発明は、電気光変換モジュールに関する。

パソコン、携帯端末などとその周辺機器間での通信や、データセンタ―内の機器間の通信において、通信距離や通信容量が大きい場合は、光ファイバが用いられる。

このような機器間の光ファイバでの通信には、光ファイバケーブルの両端に、コネクタがついたケーブルが用いられ、コネクタ内部に受発光素子などの光学素子が配置される。コネクタ内部での光学素子と光ファイバとの結合は、レンズ面などを有するレンズ部品を介して行われることが多い。

特許文献１では、レンズ面と平面からなる全反射面とを有するレンズ部品により、回路基板上に配置された光学素子と光ファイバとを、光学的に結合させて、光電変換を行うインターフェースモジュールを提供している。具体的には、当該インターフェースモジュールは、回路基板上にレンズ部品が搭載されており、当該レンズ部品は、回路基板上の受発光素子と対面する位置に設けられた凸形状を有するレンズ面と、回路基板に対して４５°傾いた光路折り返し面（平面反射面）とを有する。この凸形状を有するレンズ面により光が集光され、かつ前述の光路折り返し面にて光路が９０°折り返されることにより、基板と垂直な方向に光軸を有する光学素子と、基板と平行な方向に光軸を有する光ファイバとの光学結合がなされる。

米国特許第８，９１３，８５８号明細書

特許文献１に用いられているようなレンズ部品は、通常、成形などにより一部品として製造される。図１６は、特許文献１で記載されているものと同様の、従来構成の電気光変換モジュール付きケーブル１１３の端末部分を示す模式図である。

光ファイバ１１４と複数の光学素子１０２（発光素子、あるいは受光素子であり、紙面に垂直な方向に配列）の間の光ビームは、光路折り返し面１１０によって９０°向きを変える。この場合、光路折り返し面１１０は、光ファイバ１１４と光学素子１０２との双方の光軸に対して正確に４５°の角度となるように形成される必要がある。光路折り返し面１１０に角度ずれが発生すると、光ファイバ１１４への入射端面、および、光学素子１０２のうち受光素子の受光面上での光ビームの到達位置がずれるため、光ファイバ１１４と光学素子１０２の間での結合効率が劣化する。この光ビームの到達位置のずれは、光路折り返し面１１０の角度ずれが同じ場合、光学素子１０２から光路折り返し面１１０までの距離が大きいほど、大きくなる。

一方、従来構成の電気光変換モジュール付きケーブルにおいては、光路折り返し面１１０と光学素子１０２との間に凸面形状を有するレンズ面１０７が形成されているために、光路折り返し面１１０と光学素子１０２との距離を小さくすることには限界がある。このため、光学素子１０２とレンズ部品１０３の組み立てトレランスは小さくなる。

本発明では、光学素子とレンズ部品との組み立てトレランスを向上できる、電気光変換モジュールを提供することを目的とする。

上述した課題を解決するための、本発明の一実施形態による電気光変換モジュールは、主面を有する基板と、前記基板の前記主面上に搭載されると共に、前記主面に平行な第１の面と、前記主面に平行な方向に延びるガイド部と、前記ガイド部の先端に位置し前記主面に略垂直な面を有する突き当て部と、所定の曲率を有する反射集光レンズ面とを有するレンズ部品と、前記基板の前記主面上に搭載され、前記レンズ部品の前記第１の面と対向して配置された複数の光学素子と、を備え、前記複数の光学素子は、前記レンズ部品の前記反射集光レンズ面により、前記突き当て部を介して前記ガイド部に搭載される光導波部品と光学的に結合可能であり、前記レンズ部品の前記第１の面は前記複数の光学素子に対向する対面部を有し、前記対面部と前記複数の光学素子は離れている。

本発明によれば、光学素子とレンズ部品との組み立てトレランスを向上できる、電気光変換モジュールを提供することができる。

本発明に係る電気光変換モジュールの断面模式図である。 図１の電気光変換モジュールに用いられているレンズ部品の上面図である。 図２のレンズ部品の斜視図である。 図２のレンズ部品を別の方向から見た斜視図である。 本発明に係る電気光変換モジュール付きケーブルの端末部分内部構造の断面模式図である。 （ａ）は、図５の電気光変換モジュール付きケーブルの端末部分での、発光素子から光ファイバへ結合する光線を模式的に示した図である。（ｂ）は、図５の電気光変換モジュール付きケーブルの端末部分での、光ファイバから受光素子へ結合する光線を模式的に示した図である。 図２のレンズ部品の反射集光レンズ面の断面形状を示す図である。 図２のレンズ部品の反射集光レンズ面の、別の平面での断面形状を示す図である。 本発明に係る電気光変換モジュールに用いられるレンズ部品の反射集光レンズ面の、別の形状の例である。 第二実施形態に係る電気光変換モジュールの断面模式図である。 第二実施形態に係る電気光変換モジュールの、別の形態での断面模式図である。 第三実施形態に係る電気光変換モジュールの断面模式図である。 図１２の電気光変換モジュールに用いられているレンズ部品の斜視図である。 第四実施形態に係る電気光変換モジュール付きケーブルの端末部分構造の断面模式図である。 本発明に係る電気光変換モジュール付きケーブルの製造方法を説明する図である。 従来構造を示す図である。 本発明に係る電気光変換モジュール付きケーブルの外観を示す図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。本発明の電気光変換モジュールの実施形態は、以下のような構成を備える。

（項目１）
主面を有する基板と、前記基板の前記主面上に搭載されると共に、前記主面に平行な第１の面と、前記主面に平行な方向に延びるガイド部と、前記ガイド部の先端に位置し前記主面に略垂直な面を有する突き当て部と、所定の曲率を有する反射集光レンズ面とを有するレンズ部品と、前記基板の前記主面上に搭載され、前記レンズ部品の前記第１の面と対向して配置された複数の光学素子と、を備え、前記複数の光学素子は、前記レンズ部品の前記反射集光レンズ面により、前記突き当て部を介して前記ガイド部に搭載される光導波部品と光学的に結合可能であり、前記レンズ部品の前記第１の面は前記複数の光学素子に対向する対面部を有し、前記対面部と前記複数の光学素子は離れている、電気光変換モジュール。
この構成によれば、光路折り返し位置から光学素子の距離を小さくすることができるので、光学素子とレンズ部品との組み立てトレランスを大きくすることができる。

（項目２）
前記複数の光学素子は、発光素子もしくは受光素子、または、その両方で構成されるとともに、前記主面に平行な発光面もしくは受光面を有することが好ましい。
この構成によれば、光ファイバなどの光導波路部品を実装した際に、光学素子との高い結合効率が得られる。

（項目３）
前記レンズ部品は、樹脂から成る一体成形品であることが好ましい。
この構成によれば、レンズ部品内で接続部分がないため、レンズ部品内での光損失が小さくなる。

（項目４）
前記電気光変換モジュールは、前記対面部と前記複数の光学素子との間が、屈折率整合剤で満たされていることが好ましい。
この構成によれば、受発光素子とレンズ部品の間の光路での、屈折率不整合によるフレネル損失が小さくなる。

（項目５）
前記レンズ部品は、前記第１の面に対向する上面から前記第１の面に到達する貫通孔を備えることが好ましい。
この構成によれば、受発光素子とレンズ部品の間を、容易に屈折率整合剤で満たすことができる。

（項目６）
前記レンズ部品は、前記対面部に、位置合わせ用マーカー部を有することが好ましい。
この構成によれば、光学素子を実装した基板にレンズ部品を実装する際、目標とするレンズ部品上の位置座標を、ＣＣＤカメラなどにより把握できるため、実装精度が向上する。さらに、光学素子とレンズ部品の間が、レンズ部品とほぼ同じ屈折率を有する屈折率整合剤で満たされることにより、当該位置合わせ用マーカー部と屈折率整合剤との境界での光反射や光散乱が低減されるため、位置合わせ用マーカー部による影響を小さくすることができる。

（項目７）
前記位置合わせ用マーカー部は、突起形状から成ることが好ましい。
この構成によれば、光学素子を実装した基板にレンズ部品を実装する際、目標とするレンズ部品上の位置座標を、ＣＣＤカメラなどにより把握できるため、実装精度が向上する。さらに、光学素子とレンズ部品の間が、レンズ部品とほぼ同じ屈折率を有する屈折率整合剤で満たされることにより、当該位置合わせ用マーカー部と屈折率整合剤との境界での光反射や光散乱が低減されるため、位置合わせ用マーカー部による影響を小さくすることができる。

（項目８）
前記位置合わせ用マーカー部は、窪み形状から成ることが好ましい。
この構成によれば、光学素子を実装した基板にレンズ部品を実装する際、目標とするレンズ部品上の位置座標を、ＣＣＤカメラなどにより把握できるため、実装精度が向上する。さらに、光学素子とレンズ部品の間が、レンズ部品とほぼ同じ屈折率を有する屈折率整合剤で満たされることにより、当該位置合わせ用マーカー部と屈折率整合剤との境界での光反射や光散乱が低減されるため、位置合わせ用マーカー部による影響を小さくすることができる。

（項目９）
前記複数の反射集光レンズ面は、アナモフィック面形状を有することが好ましい。
この構成によれば、反射集光レンズ面での光路折り返しが生じる方向と、それと直交する方向とで、個別にレンズ面形状を設定できるため、光ファイバなどの光導波路部品を実装した際に、光学素子と光ファイバの間において、高い光結合効率を達成することができる。

（項目１０）
前記複数の反射集光レンズ面は、フレネル面形状を有することが好ましい。
この構成によれば、反射集光レンズ面の中心軸方向の、厚さを薄くすることができる。

［本発明の実施形態の詳細］
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

（第一実施形態）
図１は、第一実施形態に係る電気光変換モジュールの断面の模式図を、図２は、本実施形態の電気光変換モジュールに搭載されているレンズ部品の上面図を、図３と図４は、本実施形態の電気光変換モジュールに搭載されているレンズ部品を異なる視点から見た斜視図を、示す図である。

それぞれの図には、便宜的に座標系を示している。図１では、紙面右方向がＸ軸方向、上方向がＹ軸方向、紙面垂直に手前から奥に向かう方向がＺ軸方向である。図２では、紙面右方向がＸ軸方向、上方向がＺ軸方向、紙面垂直に奥から手前に向かう方向がＹ軸方向である。

図１に示す本実施形態の電気光変換モジュール１は、ＸＺ平面に平行な主面を有する基板４に、複数の光学素子２が１列に配置されて、レンズ部品３とともに、固定されている。複数の光学素子２の各素子は、発光素子あるいは受光素子であり、例えば、発光素子２ａ、２ｂと受光素子２ｃ、２ｄから構成される。本実施形態における一つの例では、発光素子２ａ、２ｂ、受光素子２ｃ、２ｄの順に、Ｚ軸方向に、すなわち図１において紙面手前から奥に向かって配置されている。

発光素子２ａ、２ｂは、例えば、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ ＬＡＳＥＲ）などである。また、受光素子２ｃ、２ｄは、例えば、フォトダイオードなどである。複数の光学素子２は、Ｙ軸に平行な光軸を、それぞれ有している。すなわち、複数の光学素子２の各光学面（発光素子の場合は発光面、受光素子の場合は受光面）は、基板４の主面に平行である。

レンズ部品３は、光ファイバを配置するためのガイド部５、突き当て部６、複数の反射集光レンズ面７を有する。これらの各部はいずれもレンズ部品３の外面の一部である。

図２、図３、図４に、レンズ部品３のより詳細な構造を示している。ガイド部５は、Ｘ軸に平行に、例えば、Ｖ形状の溝で構成されており、前端溝５ａと、それに連なる後端溝５ｂとが４本ずつ形成されている。本実施形態における例では、後端溝５ｂは、前端溝５ａより、幅、深さともに大きい構造としてあるが、結合させる光ファイバなどに応じて、構造を変えることが好ましい。

本実施形態の例ではさらに、溝８が、ガイド部５を横切るように設けられ、溝８からＸ軸負の方向が前端溝５ａであり、Ｘ軸正の方向が後端溝５ｂである。また、溝９が、各前端溝５ａの先端（Ｘ軸負の方向側）でＹ軸負の方向に掘り下げられるように形成されている。前端溝５ａの先は、突き当て部６がガイド部よりも高く（Ｙ軸正の方向に）立ち上がっている。突き当て部６は、Ｘ軸に垂直な平面に対する傾きが５°以下の平面であることが好ましく、Ｘ軸に垂直な平面であることがより好ましい。

複数の反射集光レンズ面７は、本実施形態の例では、４個の反射集光レンズ面７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄで構成され、この順に、Ｚ軸方向に配置されている。複数の反射集光レンズ面７の各中心軸は、図１に示される軸Ｓに平行である。軸Ｓは、Ｘ軸の負の方向と、Ｙ軸の正の方向との双方に対して４５°の角度をなす軸であることが好ましく、ガイド部５に搭載される複数の光導波部品と、複数の光学素子２とを光学的に結合させる。本例では、複数の反射集光レンズ面７は、軸Ｓを法線とする傾斜面１０上に形成されている。

レンズ部品３は、複数の光学素子２と間をあけて向かい合う面１１上で、複数の光学素子２のそれぞれと対面する部分である対面部１２を有している。対面部１２は、少なくとも、光が通過する領域においては、ＺＸ平面に平行な平面で構成される。

図１７は、本実施形態に係る電気光変換モジュール１を用いた、電気光変換モジュール付きケーブル１３の一端末付近の外観図を示している。電気光変換モジュール付きケーブル１３は、内部に複数本の光ファイバ１４（図１７では図示せず）を有するケーブル３０に、コネクタ部品３１が取り付けられて構成されている。図１７の例では、コネクタ部品３１は外部筐体３２と、電気プラグ３３を有している。電気プラグ３３は、外部機器と接続するためのものであり、接続する外部機器に応じて、電気プラグ３３がない構造でもよい。

電気光変換モジュール付きケーブル１３はコネクタ部品３１の内部に、図５に模式的に示したように、第一実施形態に係る電気光変換モジュール１を有している。コネクタ部品３１の内部では、ケーブル３０の光ファイバ１４が露出しており、電気光変換モジュール１に実装されている。なお、電気プラグ３３が必要な場合は、基板４のファイバ１４とは反対側の先端部に装着されることが好ましい。

光ファイバ１４は、Ｘ軸方向に延在し、光が主に伝搬する（図示されていない）コアを中心に有し、その周囲がクラッド１５で覆われ、さらにその周囲が樹脂などの被覆１６で覆われている。例えば、クラッド１５部分での直径は１２５μｍ、被覆１６部分での直径は２５０μｍである。

光ファイバ１４は先端付近で被覆１６が除去され、露出したクラッド１５が前端溝５ａに挿入され、被覆１６を有する部分が後端溝５ｂに挿入されている。

レンズ部品３の突き当て部６は、光ファイバ１４が実装された時に、前端溝５ａの先端で、少なくとも光ファイバ１４の先端面（コアおよびクラッド１５）を完全に覆うように、ガイド部よりも高く（Ｙ軸正の方向）立ち上がっている。突き当て部６は、少なくとも光ファイバ１４の先端に対面する部分において、Ｘ軸に垂直な平面に対する傾きが５°以下の平面であることが好ましく、Ｘ軸に垂直な平面であることがより好ましい。

光ファイバ１４の先端と突き当て面６の間には、屈折率整合接着剤１７が塗布されており、その一部が溝９に流れている。また、屈折率整合接着剤１７は、溝８からも挿入されており、光ファイバ１４とレンズ部品３とを固定している。屈折率整合接着剤１７が前端溝５ａ、後端溝５ｂに流れていることによって、光ファイバ１４がＸ軸方向全域で固定されていてもよく、さらに上からも、光ファイバ１４とガイド部５を覆うようにして、屈折率整合接着剤１７が盛られて、光ファイバ１４がより強固にレンズ部品３に固定されていいてもよい。また、光ファイバ１４の先端と、突き当て面６の平面度が高く、空気層を介さずに接触させられる、いわゆるオプティカルコンタクトが実現できる場合は、光ファイバ１４の先端と突き当て面６の間の屈折率整合接着剤１７はなくてもよい。この場合は、前端溝５ａ、後端溝５ｂ、溝８および溝９などに塗布される接着剤は、屈折率整合接着剤１７の替わりに、屈折率整合性を有さない接着剤が用いられていてもよい。なお、溝８、溝９はなくてもよい。溝８、溝９が形成されている場合は、使用される屈折率整合接着剤１７の流動性などを考慮して形成されていることが好ましい。

図６（ａ）は、本実施形態の電気光変換モジュール１に光ファイバ１４を実装した際の、発光素子２ａ、２ｂから対応する光ファイバ１４に結合する光線を模式的に示している。図６（ｂ）は、受光素子２ｃ、２ｄへ対応する光ファイバ１４から結合する光線を模式的に示している。図６（ａ）、図６（ｂ）では、基板４は省略されており、レンズ部品３は反射集光レンズ面７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ付近のみが図示されている。また光ファイバ１４は、クラッド１５部分のみが図示されている。

本実施形態の電気光変換モジュール１では、光学素子２の上部（Ｙ軸正の方向）に所定の距離を空けて対面部１２がある。対面部１２より上がレンズ部部品３となり、対面部の上に傾斜面がありそこに反射集光レンズ面７が形成される。反射集光レンズ面７からＸ軸正の方向に所定の長さ離れた箇所に突き当て部６がある。突き当て部６の上部と傾斜面との間にはレンズ部品３の上面の一部がある

図６（ａ）で、発光素子２ａ、２ｂから広がりをもって出射した光線は、出射した空間と、レンズ部品３との屈折率に応じた屈折を伴いながらレンズ部品３に入射する。各発光素子２ａ、２ｂの光軸上に反射集光レンズ面７ａ、７ｂがそれぞれ位置するように発光素子２ａ、２ｂとレンズ部品３とを配置しておく。レンズ部品３に入射した光線は、反射集光レンズ面７ａ、７ｂによって、光軸が９０°突き当て面６に向かう方向に折り返され、対応する光ファイバ１４に向かって収束させられ、主にクラッド１５内部のコアに入射する。光ファイバ１４はその光軸が、反射集光レンズ面７によって折り返された光軸と、ＹＺ方向で一致するように配置されている。

図６（ｂ）では、受光素子２ｃ、２ｄに対応する光ファイバ１４のコア、あるいはその周囲のクラッド１５から広がりをもって出射した光線は、クラッド１５およびコアの屈折率とレンズ部品３の屈折率、さらにはコアを含むクラッド１５の先端とレンズ部品３の突き当て面６の間の屈折率整合接着剤の有無などに応じた広がりをもって、レンズ部品３に入射する。各光ファイバ１４の光軸上に各反射集光レンズ面７ｃ、７ｄがある。レンズ部品３に入射した光線は、対応する反射集光レンズ面７ｃ、７ｄによって、光軸が９０°対面部１２に向かって折り返され、対応する受光素子２ｃ、２ｄに向かって収束させられ、レンズ部品３の屈折率と、受光素子２ｃ、２ｄが配置される空間の屈折率に応じた屈折を伴いながら、レンズ部品３から出射し、受光素子２ｃ、２ｄに入射する。受光素子２ｃ、２ｄの光軸上に反射集光レンズ面７ｃ、７ｄがそれぞれ位置するように受光素子２ｃ、２ｄとレンズ部品３とを配置しておく。対面部１２から出射した光線が屈折して受光素子２ｃ、２ｄの有効領域内に集光するように、反射集光レンズ面７ｃ、７ｃの集光具合が調整されている。

本実施形態では、対面部１２が平面であるため、受発光素子２から反射集光レンズ面７までの距離を小さくすることができる。そのため、反射集光レンズ面７に角度ずれが生じても光路を折り返された光ビームの到達位置ずれが小さく抑えられるため、レンズ部品３と光学素子２との組み立てのトレランスを大きくすることができる。特に、電気光変換モジュール１は、複数の光学素子２を含むため、各光学素子に対して所定の結合効率を得る必要がある。このために、レンズ部品３と光学素子２との組み立てのトレランスを大きくすることにより、各光学素子に対して、再現性よく高い結合効率を得ることができる。対面部１２と複数の光学素子２の距離ｄは、例えば０．１ｍｍであり、対面部１２から反射集光レンズ面７の中心（軸Ｓと反射集光レンズ面７との交点）までのＹ軸に沿う方向での距離は０．５ｍｍである。すなわち、複数の光学素子２から、光路折り返し位置となる反射集光レンズ面７の中心までの距離は０．６ｍｍである。

一方、従来例では対面部１２の位置に、凸形状を有するレンズ面が形成されているため、レンズ部品３の下部から光学素子２の光学面（上側の面）まで所定の間隔を空ける必要がある。この所定の間隔とは、凸形状を有するレンズ面の厚みと、レンズ面から光学素子２までの空間の距離である。発光素子２ａ、２ｂの直近にレンズ面が存在すると、発光素子２ａ、２ｂから出射した光線は殆ど広がらないうちにレンズ面に達し、凸形状を有するレンズ面を略平面と感じ、レンズから屈折力を与えられない。また、凸形状を有するレンズ面の直近に受光素子２ｃ、２ｄが配置されると、短距離で光線を受光素子２ｃ、２ｄの受光面に集光させる必要が生じ、凸形状を有するレンズ面に大きな屈折力が必要となる。すなわち、従来例では、対面部１２の位置に凸形状を有するレンズ面を形成することにより、凸形状を有するレンズ面の厚みそのものと、凸形状を有するレンズ面を配置した効果を活かすための空間長とを確保する必要があり、光路折り返し部から光学素子２までの距離を小さくすることができなくなる。これによって従来例では、レンズ部品と光学素子との組み立てトレランスが小さくなる。

図１６で示した従来構造では、例えば、複数の光学素子１０２からレンズ面１０７までの距離は０．４ｍｍで、レンズ面１０７から光路折り返し面１１０の中心（複数の光学素子１０２の光軸の延長（図示はせず）との交点）までの距離は０．５ｍｍである。すなわち、複数の光学素子１０２から光路折り返し面１１０までの距離は０．９ｍｍとなる。

さらに、従来例では、凸形状を有するレンズ面は、光学素子１０２からは近い位置に、光ファイバ１１４からは光路長において遠い位置に配置される。光学素子１０２が発光素子の場合は、広がりを伴って発光素子から出射される光ビームの比較的近くにレンズ面が配置されるため、高い結合効率を容易に得ることができるが、光学素子１０２が受光素子の場合は、光ファイバ１１４から広がりを伴って出射される光ビームの遠方にレンズ面が配置されるため、高い結合効率を得ることが難しい。一般的に、同一配置で難易度の異なるレンズ面を同一部品上に設計することは、距離や面サイズの決め方、公差の与え方が難しく、設計の自由度が制限される。

図６（ａ）、（ｂ）に示した本実施形態に係る電気光変換モジュール１では、光ファイバ１４、および、光学素子２から反射集光面７までの距離をほぼ等しくできるため、自由度の大きい設計が可能である。

本実施形態に係る電気光変換モジュール１では、例えば、光ファイバ１４から反射集光レンズ面までの距離は０．６ｍｍであり、複数の光学素子２から反射集光レンズ面までの距離は０．６ｍｍである。一方、図１６に示した従来例では、光ファイバ１１４から光路折り返し面１１０までの距離は０．６ｍｍであり、複数の光学素子１０２から光路折り返し面１１０までの距離は０．９ｍｍである。

本実施形態に係る電気光変換モジュール１のレンズ部品３は、一体成形品であることが好ましく、例えば、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）などの透明な樹脂材料を用いて、射出成形にて製造することができる。レンズ部品３を一体成型品とすることにより、レンズ部品内で接続部分がなくなり、接続部分で発生する光損失をなくすことができる。

複数の反射集光レンズ面７は、発光学素子２ａ、２ｂに対応する反射集光レンズ面７ａ、７ｂと、受光素子２ｃ、２ｄに対応する反射集光レンズ面７ｃ、７ｄとで異なる形状であることが好ましい。それぞれ最適な形状とすることにより、複数の光学素子２のそれぞれと、対応する光ファイバ１４との間で高い光結合効率を得ることができる。

図７、図８は、複数の反射集光レンズ面７の断面形状１８、１９を模式的に、座標系とともに表した図である。複数の反射集光レンズ面７の形状は回転非対称で、２つの対称断面形状１８、１９を有する、いわゆるアナモフィック面（アナモルフィック面とも言う）形状であることが好ましい。断面形状１８は、反射集光レンズ面の中心軸を含むとともに、ＸＹ平面に平行である平面での断面形状である。断面形状１９は、反射集光レンズ面中心軸を含むとともに、ＸＹ平面に直交する平面での断面形状である。アナモフィック面の定義式は、式１のように表される。

式１において、変数ＸＹとＺは、反射集光レンズ面７の中心軸と垂直な面内での座標であり、ＸＹが断面形状１８での横軸方向の座標に対応し、Ｚがこれと直交する断面形状１

９での横軸方向の座標に対応する。Ｓ（ＸＹ，Ｚ）は座標（ＸＹ，Ｚ）における中心軸方向のレンズ面の厚みである。Ｃ_ＸＹとＣ_Ｚは、ＸＹ方向（断面形状１８での横軸方向）およびＺ方向（断面形状１９での横軸方向）での曲率であり、Ｋ_ＸＹとＫ_Ｚは、ＸＹ方向（断面形状１８での横軸方向）およびＺ方向（断面形状１９での横軸方向）でのコーニック係数である。また、ＡＲ_２ｎは２ｎ次の回転対象非球面係数であり、ＡＰ_２ｎは２ｎ次の非回転対象非球面係数である。

式１における曲率や各係数は、市販されている光学設計シミュレータなどで、レンズ面形状の種類を選択して、例えば光結合効率を最大化するように最適化することにより、決めることができる。

図９は、複数の反射集光レンズ面７の他の好適な形状を示す図である。図９では、レンズ部品３の複数の反射集光レンズ面７付近のみが図示されており、複数の反射集光レンズ面７は、フレネル面形状を有している。フレネル面形状とすることにより、複数の反射集光レンズ面７の軸Ｓ方向の厚さを薄くすることができ、電気光変換モジュール１の小型化が可能となる。また、このようなフレネル面形状は、市販されている光学設計シミュレータなどで、連続的なレンズ面形状を選択して、サグ式（レンズ光軸からの距離を変数としたレンズ高さを面形状に応じて与える式）の係数を最適化し、得られたレンズ面形状をレンズ高さ方向にスライスした環状リングを同心配置することによって得られる。

本実施形態の電気光変換モジュール１は、基板４上に、レンズ部品３と複数の光学素子２とが固定されることにより、両者の光軸位置が精度よく調整された状態で維持される。また、レンズ部品３の光学素子２と対面する側は窪み状になっており、面１１は窪み状の天井面になっている。図１中に示されるように、複数の光学素子２の駆動に必要なレーザドライバやＴＩＡ（Ｔｒａｎｓ−Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）などを搭載する電子部品２３も基板４に搭載して、レンズ部品３の窪み状の部分に収めることにより、電気光変換モジュール１の小型化が可能となる。

（第二実施形態）
図１０、図１１は、第二実施形態に係る電気光変換モジュール１の断面の模式図を示す図である。それぞれの図に示した座標系は、第一実施形態と同じ座標系である。

本実施形態に係る電気光変換モジュール１のレンズ部品３は、対面部１２に位置合わせ用マーカー部を有する。図１０では、位置合わせ用マーカー部が突起形状であり、図１１では位置合わせ用マーカー部が窪み形状となっている。

本実施形態では、基板４の上に、複数の光学素子２とレンズ部品３を実装する際に、両者の相対的な位置精度を向上させることができる。例えば、基板４の上に複数の光学素子２を実装後、ＣＣＤカメラを備えた実装機などを用いて、複数の光学素子２および、位置合わせ用マーカー部の、実装機基準位置に対する、ＸＺ平面と平行な面内での座標を求め、両者を演算しながら位置を調整してレンズ部品３を実装することにより、複数の光学素子２とレンズ部品３とを最適な位置関係で実装することができる。

位置合わせ用マーカー部の大きさは、ＣＣＤカメラの視野範囲に収まることが好ましい。また、突起形状あるいは窪み形状の位置合わせ用マーカー部の縁部が、発光素子２ａ、２ｂから出射された光、および、受光素子２ｃ、２ｄに入射する光を遮らないことが好ましく、位置合わせ用マーカー部の大きさは、少なくとも、発光素子２ａ、２ｂの発光面、および、受光素子２ｃ、２ｄの受光面より大きいことが好ましい。位置合わせ用マーカー部は、例えば、縦横１００μｍの正方形であり、Ｙ方向の大きさ（図１０では突起の高さ、図１１では窪みの深さ）は１０μｍである。

位置合わせ用マーカー部の、ＸＺ平面と平行な面内での形状は、四角、丸、十字形など、ＣＣＤカメラなどで形状を認識してその中心座標を演算処理にて容易に算出できるものが好ましい。

（第三実施形態）
図１２は、第三実施形態に係る電気光変換モジュール１の断面の模式図を、図１３は、第三実施形態の電気光変換モジュール１に搭載されているレンズ部品３の斜視図を、示す図である。それぞれの図に示した座標系は、第一実施形態と同じ座標系である。

第三実施形態に係る電気光変換モジュール１に用いられているレンズ部品３は、図３に示した、第一実施形態に係る電気光学変換モジュール１に用いられているレンズ部品３に、さらに、面１１から、これと対向する上側の面とを貫通する（面１１からＹ軸正の方向にレンズ部３を貫通する）貫通孔２０を有する。

図１３に示したレンズ部品３を用いると、図１２に示すように、基板４上に複数の光学素子２、電子部品２３、およびレンズ部品３などを実装後に、貫通孔２０に、屈折率整合剤２１を注入することができる。注入された屈折率整合剤２１が面１１と基板４で挟まれる空間（光学素子２や電子部品２３の周囲）に充填される。レンズ部品３は、図４と同様に、基板４と対面する側（Ｙ軸負の方向）に窪みを有しているため、図１２において屈折率整合剤２１は、ＺＸ平面と平行な面内で、レンズ部品３によって閉じ込められている。貫通孔２０は、屈折率整合剤２１を注入しやすいように、上側の面が広くなっていることが好ましい。

図１２の構成によれば、複数の光学素子２とレンズ部品３との間の光路に、屈折率整合剤２１が充填されて、実質的に空気層を介さなくなるため、屈折率不整合によるフレネル損失が小さくなる。

さらに、本実施形態が、図１０や図１１に示した、レンズ部品３が突起形状や窪み形状の位置決め用マーカー部を有する構造に適用される場合、位置決めマーカー部と複数の光学素子２との間が屈折率整合剤２１で満たされる。屈折率整合剤２１は、レンズ部品３とほぼ同じ屈折率を有する材料からなることができる。このため、位置決めマーカー部の縁部において光反射や光散乱を低減することができるので、位置決めマーカー部が光路中に設けられていても、光学素子２とレンズ部品３との結合効率が低下することを回避することができる。この結果、位置決めマーカー部の形状や大きさの自由度が増し、使用する実装機の性能などを考慮して最適な位置決めマーカー部を選択することができるようになる。

本実施形態においては、屈折率整合剤２１の替わりに、第一実施形態で用いられている屈折率整合接着剤１７が用いられてもよい。屈折率整合接着剤１７を用いることにより、基板４、レンズ部品３、複数の光学素子２、および、電子部品２３が、強固に固定される。また、レンズ部品３の内部が屈折率整合接着剤１７によって封止されるため、ごみなどの異物混入を防ぐことができる。

（第四実施形態）
図１４は、第四実施形態に係る、電気光変換モジュール１を用いた電気光変換モジュール付きケーブル１３の端末部分の構造を示しており、第四実施形態に係る電気光変換モジュール１に、光ファイバ１４が実装されている状態を模式的に示した図である。

本実施形態で用いられているレンズ部品３は、第三実施形態に用いられているレンズ部品３に加え、面１１からガイド部５に達する貫通孔２２を有する。

貫通孔２２は、図１４の例では前端溝５ａが形成されている領域に開口を有しており、Ｚ軸方向においては、４本の前端溝５ａ全てにわたる長さで開口を有している。

本実施形態に係る電気光変換モジュール付きケーブル１３は、基板４上に複数の光学素子２、電子部品２３、およびレンズ部品３などを実装し、さらにガイド部５に光ファイバ１４を配置した後に、貫通孔２０の上部から屈折率整合剤２１が注入されて、形成される。

屈折率整合剤２１は、複数の光学素子２とレンズ部品３の間を満たすと共に、光ファイバ１４の端面と突き当て部６の間を満たす。

本実施形態では、複数の光学素子２とレンズ部品３の間の光路を屈折率整合剤２１で充填する工程で、光ファイバ１４の端面と突き当て部６の間を屈折率整合剤２１で満たすことができるため、実装が容易になる。

本実施形態においては、屈折率整合剤２１の替わりに、第一実施形態で用いられている屈折率整合接着剤１７が用いられてもよい。屈折率整合接着剤１７を用いることにより、基板４、複数の光学素子２とレンズ部品３の間の光路を封止する工程で、光ファイバ１４も同時に固定することができるため、実装が容易になる。

貫通孔２２は、後端溝５ｂが形成されている領域に達していてもよく、この場合、貫通孔２２はＺ軸方向において、４本の後端溝５ｂ全てにわたる長さで開口を有している。

貫通孔２２は、溝８や、溝９の領域に開口を形成していてもよい。

（第五実施形態）
図１５は、第五実施形態に係る電気光変換モジュール付きケーブル１３の実装方法を示している。図に示した座標系は、第一実施形態と同じ座標系である。

第五実施形態では、まず、図１５上側に示したように、屈折率整合接着剤１７を塗布した前端溝５ａに、光ファイバ１４を撓ませて、クラッド１５部分を挿入する。このときの撓み角度θは１°以上であることが好ましい。

次に、光ファイバ１４を撓ませた状態を保ったまま、前端溝５ａの屈折率整合接着剤１７を硬化させた後、後端溝５ｂに屈折率整合接着剤１７をさらに塗布し、光ファイバ１４の先端部分の撓みを解放して被覆１６部分を後端溝５ｂに挿入し、後端溝５ｂ部分の屈折率整合接着剤１７を硬化させて、光ファイバ１４を固定する。

本実施形態に係る実装方法では、光ファイバ１４の先端部分のクラッド１５が、前端溝５ａに押し付けられた状態で接着固定されるため、光ファイバ１４の先端が浮き上がることを防ぐための蓋等が不要であり、製造工程でクラッド１５部分に傷などがつく可能性が低くなる。

上記の各実施形態では、複数の光学素子２を４個の光学素子とし、それに対応してレンズ部品３の複数の反射集光レンズ面７も４個、前端溝５ａと後端溝５ｂもそれぞれ４本としているが、これら構成部材の数は上記実施の形態に限定されない。

また、上記説明した構成部材の数、位置、形状は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等に変更することができる。

以上、本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。また、上記説明した構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等に変更することができる。

１：電気光変換モジュール
２、１０２：複数の光学素子
２ａ、２ｂ：発光素子
２ｃ、２ｄ：受光素子
３、１０３：レンズ部品
４、１０４：基板
５、１０５：ガイド部
５ａ：前端溝
５ｂ：後端溝
６：突き当て部
７：複数の反射集光レンズ面
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ：反射集光レンズ面
８、９：溝
１０：傾斜面
１１、１１１：面
１２：対面部
１３、１１３：電気光変換モジュール付きケーブル
１４、１１４：光ファイバ
１５：クラッド
１６：被覆
１７：屈折率整合接着剤
１８、１９：反射集光レンズ面断面
２０、２２：貫通孔
２１：屈折率整合剤
２３：電子部品
３０：ケーブル
３１：コネクタ部品
３２：外部筐体
３３：電気プラグ
１０７：レンズ面
１１０：光路折り返し面

Claims (10)

1. 主面を有する基板と、
   前記基板の前記主面上に搭載されると共に、前記主面に平行な第１の面と、前記主面に平行な方向に延びるガイド部と、前記ガイド部の先端に位置し前記主面に略垂直な面を有する突き当て部と、所定の曲率を有する反射集光レンズ面とを有するレンズ部品と、
   前記基板の前記主面上に搭載され、前記レンズ部品の前記第１の面と対向して配置された複数の光学素子と、を備え、
   前記複数の光学素子は、前記レンズ部品の前記反射集光レンズ面により、前記突き当て部を介して前記ガイド部に搭載される光導波部品と光学的に結合可能であり、
   前記レンズ部品の前記第１の面は前記複数の光学素子に対向する対面部を有し、
   前記対面部と前記複数の光学素子は離れている、電気光変換モジュール。
2. 前記複数の光学素子は、発光素子もしくは受光素子、または、その両方で構成されるとともに、前記主面に平行な発光面もしくは受光面を有する、請求項１に記載の電気光変換モジュール。
3. 前記レンズ部品は、樹脂から成る一体成形品である、請求項１あるいは２に記載の電気光変換モジュール。
4. 前記電気光変換モジュールは、前記対面部と前記複数の光学素子との間が、屈折率整合剤で満たされている、請求項２、あるいは３に記載の電気光変換モジュール。
5. 前記レンズ部品は、前記第１の面に対向する上面から前記第１の面に到達する貫通孔を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の電気変換モジュール。
6. 前記レンズ部品は、前記対面部に、位置合わせ用マーカー部を有する請求項１から５のいずれか一項に記載の電気光変換モジュール。
7. 前記位置合わせ用マーカー部は、突起形状から成る、請求項６に記載の電気光変換モジュール。
8. 前記位置合わせ用マーカー部は、窪み形状から成る、請求項６に記載の電気光変換モジュール。
9. 前記反射集光レンズ面は、アナモフィック面形状を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の電気光変換モジュール。
10. 前記反射集光レンズ面は、フレネル面形状を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の電気光変換モジュール。

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