JPH11287930A

JPH11287930A - レセプタクル型光モジュールの構造

Info

Publication number: JPH11287930A
Application number: JP9295898A
Authority: JP
Inventors: Tadaaki Ishikawa; 忠明石川; Makoto Shimaoka; 誠嶋岡; Masaya Horino; 正也堀野; Kazuyuki Fukuda; 和之福田; Tatsuo Teraoka; 達夫寺岡; Makoto Horie; 誠堀江; Ryuta Takahashi; 龍太高橋
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1998-04-06
Filing date: 1998-04-06
Publication date: 1999-10-19

Abstract

(57)【要約】【課題】光導波路付き基板と、外部とＰＣ接続により光
結合するレセプタクルを備えた光モジュールにおいて、
モジュールとしての反射光特性が良好で、かつ安価な光
モジュール構造を提供することである。【解決手段】モジュールケースに対して固定されたファ
イバ全長を内蔵するフェルール対して、光導波路基板の
一端のみを光導波路とファイバが光結合した状態で強固
に接着固定し、他に光導波路基板を支えるのはボンディ
ングワイヤと弾性係数の低い樹脂のみとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信で利用され
る光導波路付き基板と、外部とＰＣ接続により光結合す
るレセプタクルを備えた光モジュールにおいて、反射特
性が良好で、かつ安価に制作できる光モジュールの構造
に関する。

【０００２】

【従来の技術】光導波路付き基板と、外部とＰＣ接続に
より光結合するレセプタクルを備えた光モジュールの公
知例としては、１９９７年電子情報通信学会総合大会講
演論文集エレクトロニクス１：ＳＣ−３−１に述べられ
ているＰＬＣモジュールがある。

【０００３】この従来技術によるＰＬＣモジュールは、
波長多重通信を行うための光合波・分波回路をＳｉ基板
上の光導波路で実現しており、外部との光信号の入出力
用として、端面をＰＣ研磨したフェルールを利用したレ
セプタクルを持っている。挿入されるプラグ側フェルー
ルもＰＣ研磨されており、相互のフェルールは割スリー
ブにより位置合わせを行い、ばね力により押し付けられ
ることでＰＣ接続をする。

【０００４】光導波路は荷重により変形をすると特性が
変動するため、接続の際のばね力による荷重をモジュー
ル内部に伝えない様に、モジュール側フェルールはモジ
ュールケースに対し、頑丈に固定されている。一方、光
導波路基板はモジュール内部でモジュールケースに固定
されているので、この構造のまま光導波路基板をフェル
ールと接合する構造とした場合、モジュールケースと光
導波路基板およびフェルールの熱膨張率の違いにより、
熱応力が発生する。

【０００５】これを避けるために、ＰＬＣモジュールに
おいては、フェルールからモジュール内部にファイバが
突出した構造とし、突出したファイバの先端を光導波路
と光結合させ、ファイバの先端近傍のみを光導波路基板
に固定している。このようなファイバの中間が浮いた構
造とすることにより、この浮いている部分が弾性体とし
て働き、モジュールケースと光導波路基板およびフェル
ールの熱膨張率の違いによる変形を吸収し、熱応力を低
減している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来技術は、フェルールからファイバが突出したファイバ
を弾性体として熱応力を軽減する構造であるため、以下
の問題点が存在する。

【０００７】第一に、モジュールの組み立てが難しくな
る点がある。被覆を失い、素線のみのファイバは折れや
すく、フェルールの組み立て，光導波路基板への接続，
モジュールケースへの固定時には細心の注意が必要とな
り、生産コストが高くなる。

【０００８】この工程の自動化は不可能ではないが、突
出したファイバを破損しない様に工夫された自動機は複
雑なものとなり、やはりコスト高を招く。

【０００９】第二に、ファイバ端からの光反射を減らす
ことが難しいことがあげられる。光接続に用いる場合、
ファイバ端面は通常劈開により、ファイバ長手方向に垂
直で平坦な面を作っているが、光の進行方向に対して垂
直な面からは反射光も大きくなり、これがノイズとして
光素子の動作に影響を与える。レーザダイオードとファ
イバの光接続の場合には、空間を介して光結合するた
め、レーザダイオードを傾けるなどして反射光がレーザ
ダイオードに戻らない様にしている。

【００１０】しかし、ファイバと光導波路の接続の場
合、接続損失を軽減するためにファイバを光導波路に押
し当てた状態で固定するため、垂直なファイバ端面を斜
めに傾けて設置することはできない。また、折れやすい
ファイバ素線の先端加工は難しく、ファイバ端面に反射
特性向上のための斜め研磨等の加工をすることは現状実
用的なコストではできない。

【００１１】先球加工ならばファイバ素線に対しても比
較的安価で可能であるが、双方向の光信号がある場合の
接続においては、ファイバへ光が入射する方向は良い
が、逆方向からの光信号は発散してしまうので使用でき
ない。以上の理由により、良好な反射特性を持つ光モジ
ュールを安価に製造することは困難であった。

【００１２】本発明の目的は、光導波路付き基板と、外
部とＰＣ接続により光結合するレセプタクルを備えた光
モジュールにおいて、モジュールとしての反射光特性が
良好で、かつ安価な光モジュール構造を提供することで
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明においては、モジ
ュールケースに対して固定されたファイバ全長を内蔵す
るフェルールに対して光導波路基板の一端のみを光導波
路とファイバが光結合した状態で強固に接着固定し、他
に光導波路基板を支えるのはボンディングワイヤと弾性
係数の低い樹脂のみとする。モジュール構成材の膨張係
数の違いにより発生し光導波路基板にかかる熱応力は、
ボンディングワイヤと弾性係数の低い柔らかい樹脂の変
形により吸収し、軽減させる。これにより、ファイバ全
体をフェルールに収めることができ、接続端面の斜め研
磨を容易にし、斜め研磨面を光導波路と接続することで
端面からの反射光を軽減するものである。以下、詳細に
述べる。

【００１４】本発明による光モジュールにおいては、フ
ァイバを内蔵したフェルールの一端面はＰＣ研磨されて
おり、レセプタクルの一部として外部のＰＣ研磨された
フェルールとＰＣ接続する。この時の荷重を内部に伝え
ないためフェルールはモジュールケースに対して強固に
固定されている。また、フェルールの他端はファイバが
光導波路と光結合する状態で、フェルールと光導波路基
板は接着固定される。

【００１５】光導波路基板は表面に電気配線を持ち、少
なくとも半導体発光素子を搭載しており、ボンディング
ワイヤにより電気信号を伝える。このボンディングワイ
ヤは十分細いのでモジュール構成材の膨張係数の違いか
ら起こる熱変形による多少の位置ずれは変形で吸収し、
破断することはない。また、光導波路基板と取付け部の
間は弾性係数の低いアクリル又はシリコン樹脂により埋
められており、この部分も応力に応じて変形するクッシ
ョンとして働く。

【００１６】このように光導波路基板の一端を強固に固
定し、それ以外の部分の支持はボンディングワイヤと弾
性係数の低い樹脂で行うことにより、光導波路基板にか
かる熱応力を軽減できる。また、このようにファイバの
全長がフェルールに内蔵されている構造とすることによ
り、組み立て時の取り回しが容易になり、生産コストを
抑えることができる。また、光導波路との接続端面の加
工も容易になり、フェルール端面，光導波路基板端面の
双方を斜め研磨し、光結合することで接続端面からの反
射光を減らすことができる。

【００１７】また、この樹脂を熱伝導度の高い樹脂とす
ることで半導体発光素子を搭載した場合に、熱をモジュ
ールケースに効率的に伝えることができるようになり、
放熱特性を改良することができる。

【００１８】また、非気密型のモジュールケースを利用
する際には多くの場合、半導体素子保護のための樹脂ボ
ンディングによる被覆が行われるが、モジュールでの使
用波長の光の透過率の高い樹脂を支持用樹脂として選択
することにより、保護目的の樹脂ボンディングと支持用
樹脂充填の二つの作業を１度に行うことができる様にな
る。

【００１９】また、被覆用樹脂に吸湿性が低いシリコン
樹脂を利用した場合には、湿度の高い環境に一時的に置
かれた場合でも、樹脂中に留まる水分が少ないため、半
導体光素子への水分の影響が長時間にわたることはな
い。

【００２０】また、被覆用樹脂に透湿性が低いアクリル
樹脂を利用した場合、樹脂表面から半導体光素子までの
水分の浸入を遅らせることができるので、非気密型光モ
ジュールの耐湿対策として有効である。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の図面を参照しつつ
説明する。

【００２２】図１は本発明による光モジュールの一実施
例の構造をファイバに含む垂直面で切断した場合の断面
図であり、図２は同実施例のファイバを含む水平面で切
断した場合の断面図である。図２上では説明のために本
来この切断面では見えないはずのボンディングワイヤ５
を書き加えている。通常、光導波路基板１はベースとな
るＳｉ又は石英の基板上に石英の光導波路１ｂを形成す
ることにより作られる。光導波路基板１上にはフェルー
ル２との接着面積を増やし、接着部付近を保護するため
にパイレックスガラス等の光導波路に膨張係数が近い物
質を材質とする補強材が接着されている。また、半導体
光素子を搭載するために電気配線を施したピット１ａが
存在する。

【００２３】このピット１ａは、ここに搭載された発信
用レーザダイオード４ａ（以下、ＬＤと略す），受信用
フォトダイオード４ｃ（以下、ＰＤと略す）が光導波路
１ｂと最適に光結合できるように高さが決められてい
る。ＬＤ４ａ，モニタ用フォトダイオード４ｂ（以下、
モニタＰＤと略す），ＰＤ４ｃはピット１ａ上に施され
た電気配線上に半田付けにより搭載されるが、ＬＤ４ａ
とＰＤ４ｃについては素子端面での光反射を避けるた
め、光導波路１ｂの光軸に対して端面が斜めになるよう
に搭載される。

【００２４】モジュールケースは底部部品３ａと蓋３ｂ
により構成されており、エポキシ樹脂あるいは液晶ポリ
マー樹脂を主な材質とし、ＭＩＤ製法により、電気信号
用ピン９と導通した電気配線１０を内側に持っている。
この電気配線の一部は、光導波路基板１上の半導体光素
子４ａ，４ｂ，４ｃへ電気信号を伝えるためのボンディ
ングワイヤのパッドとしても用いられる。

【００２５】光導波路基板１とモジュールケース底部部
品１ａの間は弾性係数の低い樹脂７、理想的には弾性係
数が０.００６ＭＰａ以下であるアクリル樹脂またはシ
リコン樹脂が充填されている。この柔らかい樹脂７とボ
ンディングワイヤの変形が光導波路基板にかかろうとす
る熱応力を軽減する。

【００２６】フェルール２は、円筒形でガラスまたはジ
ルコニア等のセラミックを材質としており、内部に光信
号を伝えるためのファイバ６が接着固定されている。フ
ァイバ６の全長がフェルール２に内蔵されていること
で、組み立て時にファイバ６を破損する可能性は大幅に
減らすことができる。また、フェルール２ごと加工する
ことでファイバ６の両端面をファイバ６を安価に加工す
ることも可能となる。

【００２７】実用上ファイバ６を内蔵したフェルール２
の二つの端面のうち、光導波路基板１に接着され光導波
路と光結合する側の端面２ａは、端面反射を抑さえるた
めに斜め研磨され、その角度は垂直に対して約８°が望
ましい。光導波路基板１側の端面も同様に斜め研磨され
るが、光軸つまり光信号の進行方向を一致させるため
に、研磨角度はフェルール２とは逆となり、垂直に対し
て約−８°が望ましい。

【００２８】両端面が斜め研磨されることにより、フェ
ルール２からの光信号についても、ＬＤ４ａ側からの光
信号についても反射光がファイバ６，光導波路１ｂに戻
る量を減らすことができ、モジュールの安定性を増すこ
とができる。

【００２９】このフェルール２と光導波路基板１の間の
接着剤には、光信号の使用する0.78〜１.５５μｍ帯、
特にモジュールの仕様に従い０.７８または１.３または
1.55μｍ近傍の光の透過率が高いこと、作業時間短縮の
ため硬化時間が短いこと、硬化時の位置ずれを防止する
ために硬化収縮が小さいこと、長期間にわたって光結合
を維持するため耐久性が高いこと等が要求され、アクリ
ル系またはエポキシ系の紫外線硬化型樹脂が使用され
る。

【００３０】フェルールの反対側端面２ｂは、外部との
光信号入出力用のレセプタクルの一部を構成するため、
端面をＰＣ研磨されている。外部から挿入される光信号
入出力用プラグのフェルールも端面をＰＣ研磨されてお
り、フェルール２と同じ直径であるため、挿入時に割ス
リーブ１２によりフェルール同士が位置合わせされる。

【００３１】プラグがレセプタクル・スリーブ１３ａの
つめで固定されるとプラグ内のばねによりフェルールに
適度な荷重がかかり、両フェルール間がＰＣ接続され
る。このようにばねによる荷重でＰＣ接続される形式の
光通信用コネクタとしてはJIS規格化されているものと
してＦＣ型，ＳＣ型，ＭＵ型が一般的である。

【００３２】このように荷重をかけてＰＣ接続をする場
合、荷重がかかった時点でフェルール２がレセプタクル
・スリーブ１３ａに対して固定されている必要がある。
本例においては、コバール等の金属を材質とする固定具
８にフェルール２は圧入，固定されており、この固定具
８がモジュールケース底部部品３ａと蓋３ｂの溝部に挿
入し、接着し固定されている。

【００３３】レセプタクル・スリーブ１３ａはレセプタ
クル・ハウジング１３ｂにはめ込みまたは接着により固
定される。プラグが挿入時、荷重はフェルール６を図中
で右方向に押し出すように働くが、モジュールケースは
レセプタクル・ハウジング１３ｂに設けられたフック１
７により、モジュールケース側突起部１６を引っかけ固
定されているため、移動できず、結果的にフェルール６
はレセプタクル・スリーブ１３ａに対して固定されてい
ることになり、フェルール同士のＰＣ接続が可能とな
る。

【００３４】また、ＬＤ４ａは動作中発熱し、また発熱
により自身の温度が上がり過ぎると発光のために必要な
電流が大きくなるなど、モジュールとしての動作が不安
定になる。放熱はモジュールケース本体および電気信号
ピン９から行われるため、樹脂７は熱伝導率が高い方が
ＬＤ４ａからモジュールケース低部部品３ａへの伝熱を
効果的に行うことができる。

【００３５】また、樹脂を材質とするモジュールケース
では気密構造とできないため、半導体光素子４ａ，４
ｂ，４ｃは保護を目的として、光導波路基板１上に搭載
され、ワイヤボンディングをされた後、光信号の使用す
る０.７８〜１.５５μｍ帯、特にモジュールの仕様に従
い０.７８または１.３または１.５５μｍ近傍の光の透
過率が高い樹脂をポッティングされ、被覆される。この
被覆樹脂１８を樹脂７への要求を満たす樹脂とすること
で、構成材料の種類を減らすとともに被覆樹脂１８のポ
ッティング作業と樹脂７の塗布または充填の作業を一度
に行うことも可能となる。

【００３６】その場合、被覆樹脂としては６５℃９５％
ＲＨでの吸湿率が０.３％以下であるシリコン樹脂、６
５℃／９５％ＲＨでの透湿度が６０ｇ／ｍ² ・２４ｈ以
下であるアクリル樹脂を利用することでモジュールとし
ての耐湿性を向上できる。

【００３７】図３は本発明による光モジュールの別の一
実施例の構造をファイバに含む垂直面で切断した場合の
断面図である。本実施例においては樹脂７は光導波路基
板１ピット部１ａの裏面付近にのみ充填されている。伝
熱は最短距離で行うことが最も効率が良いため、図１に
おいてＬＤ４ａが搭載されているピット部１ａ近傍にお
いては伝熱量が多いが、ピット部１ａから離れるにつれ
伝熱への関与は少なくなる。

【００３８】したがって十分に熱伝達率が高い樹脂を使
用できれば、図３に示す例のように樹脂７が光導波路基
板１ピット部１ａの裏面付近にのみ充填される構造でも
モジュールケースあるいは電気信号ピンへの十分な伝熱
が可能であり、樹脂の総量を減らすことができる。ま
た、このように樹脂７が充填されている部分を減らすこ
とにより、同じ弾性係数の樹脂７でもより柔らかいクッ
ションとして働き、光導波路基板１に作用しようとする
熱応力を良く吸収できるようになる。

【００３９】図４は本発明による光モジュールの別の一
実施例の構造をファイバに含む垂直面で切断した場合の
断面図である。この実施例においては、モジュールケー
ス底部部品３ａに、電気信号ピン９とそれに接続した電
気配線を持つ端子台１９が搭載され、その上に弾性定数
の小さな樹脂７を挟み光導波路基板１が搭載されてい
る。

【００４０】また、フェルール固定具８の一端はモジュ
ールケース底部部品３ａと端子台１９に挟まれた形で接
着固定されている。光導波路基板１ａ上の電気配線や光
素子へのボンディングワイヤ５も、この端子台１９上の
電気配線の一部から張られている。端子台１９はモジュ
ールケース底部部品３ａに端子台接着剤２０により接着
されている。

【００４１】

【発明の効果】樹脂部品に電気配線を施すことはＭＩＤ
手法により可能であるが、コストはかかる。本実施例の
ように端子台１９を利用した場合、電気配線が必要な部
品がモジュールケース底部部品３ａより小さな端子台１
９のみとなり、一度に多数個作成可能となるのでコスト
の削減につながる。また、この端子台接着剤２０は、電
磁波シールド効果や熱伝導性を考慮して、銀ペースト，
銀エポキシ等の熱および電気の伝導度が高い樹脂を用
い、ＧＮＤ端子となる電気信号ピンと導通していること
が望ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光モジュールの一実施例の構造
を、ファイバに含む垂直面で切断した場合の断面図であ
る。

【図２】図１に示す実施例についてファイバを含む水平
面で切断した場合の断面図である。

【図３】本発明による光モジュールの別の一実施例の構
造をファイバに含む垂直面で切断した場合の断面図であ
る。

【図４】本発明による光モジュールの別の一実施例の構
造をファイバに含む垂直面で切断した場合の断面図であ
る。

【符号の説明】

１…光導波路基板、１ａ…ピット部、１ｂ…光導波路、
２…フェルール、２ａ…基板側フェルール端面、２ｂ…
レセプタクル側フェルール端面、３ａ…モジュールケー
ス底部部品、３ｂ…モジュールケース蓋、４ａ…半導体
レーザ素子(LD)、４ｂ…モニタ用フォトダイオード（モ
ニタＰＤ）、４ｃ…受光用フォトダイオード（ＰＤ）、
５…ボンディングワイヤ、６…光ファイバ、７…樹脂、
８…フェルール固定具、９…電気信号ピン、１０…電気
配線、１１…補強材、１２…割スリーブ、１３ａ…レセ
プタクル・スリーブ、１３ｂ…レセプタクル・ハウジン
グ、１４…空間、１６…モジュールケース突起部、１７
…ハウジング・フック、１８…被覆樹脂、１９…端子
台、２０…端子台接着剤。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者堀野正也茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者福田和之茨城県土浦市神立町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者寺岡達夫茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社オプトロシステム研究所内 (72)発明者堀江誠茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社オプトロシステム研究所内 (72)発明者高橋龍太茨城県日立市日高町５丁目１番１号日立電線株式会社オプトロシステム研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光導波路と電気配線をその表面に有し、前
記光導波路と光結合した少なくとも一つの半導体光素子
を電気配線上に搭載しているＳｉまたはガラスを主材質
とする基板と、ＰＣ研磨されたフェルールを利用しての
ＰＣ接続により外部と光結合する光レセプタクルを備え
る光モジュールにおいて、前記基板の光導波路が露出し
た一端面は斜め研磨されており、かつこの光導波路へ光
信号の入出力を行うための斜め研磨されたフェルールが
光導波路と光結合する状態で強固に接着固定されてお
り、かつこのフェルールの反対側端面はＰＣ研磨され前
記レセプタクルにおいて外部と光結合するフェルールを
兼ねており、このフェルールがモジュールケースに対し
て強固に固定されることにより基板がモジュールケース
に対して固定されており、それ以外の基板の支持は半導
体光素子および基板上の電気配線とモジュールケース側
電気信号端子間の電気接続のためのボンディングワイヤ
と、基板とその取付け部間の弾性係数の低いアクリル樹
脂またはシリコン樹脂を介することを特徴とするレセプ
タクル型光モジュール。