(57)【要約】【課題】  ２枚のレンズ間の角度ずれにより光結合効率が大幅に低下し、光信号の伝送ができなくなること。【解決手段】  第一のレンズと、第二のレンズを有し、該第一のレンズと第二のレンズの少なくとも一方の背面の両側に弾性体を備えたことを特徴とするレンズ間の接続構造。 【選択図】  図１（ａ）
2016027351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一のレンズと、第二のレンズを有し、該第一のレンズと第二のレンズの少なくとも一方の背面の両側に弾性体を備えたことを特徴とするレンズの接続構造。 
【請求項２】
請求項１記載のレンズの接続構造を用いたことを特徴とする光学機器。 
【請求項３】
光素子と、光素子を駆動するＩＣと、前記光素子と光配線との光接続を行うための第一のレンズを備えた第一の基板と、
電気配線と、光配線と、前記光配線と前記光素子との光接続を行うための第二のレンズを備えた第二の基板を有する光電気複合配線モジュールにおいて、 
第一レンズと第二のレンズのいずれかまたは両方の後方に備えた弾性体によりレンズ同士を押し付けて固定する構造を有する光電気複合配線モジュール。 
【請求項４】
光素子と、光素子を駆動するＩＣと、該光素子と光配線との光接続を行うための第一のレンズを備えた第一の基板と、
電気配線と、光配線と、該光配線と該光素子との光接続を行うための第二のレンズを備えた第二の基板を有し
該光素子と該光配線との光接続と、該ICと電気配線との電気接続をコネクタにより同時に行う光電気複合配線モジュールにおいて、 
第一レンズの光軸に垂直な平面と、第二のレンズの光軸に垂直な平面とを接触させることで光接合および電気接合を同時に行う構造であって、 
第一のレンズ、第二のレンズのいずれかまたは両方の後方に備えた弾性体により該平面を押し付ける構造を有する光電気複合配線モジュール。 
【請求項５】
請求項３または４に記載の光電気複合配線モジュールを用いたことを特徴とする伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２枚のレンズ間の接続構造に関し、特に大容量の光信号を一括処理する光電気複合配線モジュールとそれを用いた伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報通信分野において光信号による通信トラフィックの整備が急速に行われており、これまで基幹、メトロ、アクセス系といった数ｋｍ以上の長い距離において光ファイバ網が展開されてきた。今後はさらに、伝送装置間（数ｍ〜数百ｍ）、装置内（数ｃｍ〜数十ｃｍ）といった近距離も大容量データを遅延なく処理するために光信号を用いることが有効であり、ルータ、サーバ等の情報機器内部のＬＳＩ間またはＬＳＩ−バックプレーン間伝送の光化が進められている。
【０００３】
光信号による伝送装置を構築する際、重要となるのが光信号を如何に簡便かつ高効率に伝送させるかである。発光素子からの光信号を光ファイバや光導波路等の光配線に効率よく伝搬させる、あるいは光伝送路から伝搬した光信号を受光素子に効率よく入射させることが重要となる。一般に、光素子と光伝送路との光結合効率を良好にするためには、光素子と光伝送路との位置合わせを高精度に行う必要があるが、一方で、量産性や実用性を考慮すると、高精度な位置合わせを行うことによる実装工数が増大や、実装難易度が上昇することは回避しなければならない。
【０００４】
すなわち、光信号を用いていることを意識させない、従来の電気接続のみの電子部品と同等の簡易的な実装で、電気結合と光結合を同時に行えることが望ましい。さらに、そのような簡易的な実装でも高い光結合効率が得られる実装構造が望まれている。
【０００５】
例えば、特開２００２−１８９１３７号公報（特許文献１）においては、光素子を内蔵した光パッケージのリードフレームと基板とをはんだ等で電気的に接合することで、光素子と基板内に形成された光導波路とが光結合する構造となっており、従来方式の電子部品実装で電気接続と光結合を同時に行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１８９１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の従来技術では、以下の問題点が生じる。光素子と光導波路との光結合は、２枚のレンズを用いたコリメート光学系を用いている。この光学系は、２枚のレンズ間の、光軸に対して垂直ならびに光軸方向への位置ずれ許容量が大きい。それゆえ、はんだ接合である程度位置ずれが発生したも高い光結合が得られるよう当従来技術にも２枚レンズ構造が用いられている。
【０００８】
しかし、この光学系はレンズ間の角度ずれに対する許容量が小さいという特徴がある。この構造は、リードフレームの歪み、はんだ厚ばらつき、電極の高さばらつき等により、光パッケージ側のレンズ光軸と基板側のレンズ光軸に角度ずれが生じる危険性が多数存在する。また、仮に実装時に光軸が平行であっても、使用時にリードフレームが外力により変形する等の角度ずれが発生する可能性は依然として存在する。すなわち、従来構造は、上記のような実装時および使用時の角度ずれにより光結合効率が大幅に低下し、光信号の伝送ができなくなる課題がある。
【０００９】
本発明の目的は、２枚のレンズ間の角度ずれをなくす接続構造、そしてそれを用いて電気的接続と光結合を同時に簡易に行うことができ、かつ高い光結合効率を確保できる構造を有する光電気複合モジュールを提供すること、ならびにこれを用いた伝送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明は、２つのレンズの少なくとも一方の背面の両側に弾性体を有することを特徴とする。
【００１１】
またさらには電気的接続と光結合を同時に行う構造を有する光電気複合配線モジュールにおいて、
光素子と、光素子を駆動するICと、前記光素子と光配線との光接続を行うための第一のレンズを備えた第一の基板と、電気配線と、光配線と、前記光配線と前記光素子との光接続を行うための第二のレンズを備えた第二の基板を有する光電気複合配線モジュールにおいて、 第一レンズと第二のレンズのいずれかまたは両方の後方に備えた弾性体によりレンズ同士を押し付けて固定する構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、簡便な構造で２枚のレンズ間の角度ずれを防止できる。
【００１３】
また従来の電気配線のみの電子回路と同等の簡易的な実装で電気的接続と光結合を同時に行うことができ、かつ高い光結合効率を確保することができる。これにより高信頼で低コストな光電気複合配線モジュールおよびそれを用いた伝送装置を提供することができる。
【００１４】
本願発明の更なる構造、効果は以下実施例の説明を踏まえ本願明細書全体からあきらかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１（ａ）】本発明による第一の実施の形態を示す断面図である。
【図１（ｂ）】本発明による第一の実施の形態を示す断面図である。
【図２（ａ）】本発明による第一の実施の形態を示す上面図である。
【図２（ｂ）】本発明による第一の実施の形態を示す上面図である。
【図３（ａ）】２枚レンズによるレンズ間の光軸方向ずれを示す模式図である。
【図３（ｂ）】図３（ａ）でのずれが発生した際の光結合効率の変動を示す図である。
【図４（ａ）】２枚レンズによるレンズ間の垂直方向ずれを示す模式図である。
【図４（ｂ）】図４（ａ）でのずれが発生した際の光結合効率の変動を示す図である。
【図５（ａ）】２枚レンズによるレンズ間の角度ずれを示す模式図である。
【図５（ｂ）】図５（ａ）でのずれが発生した際の光結合効率の変動を示す図である。
【図６（ａ）】本発明による第二の実施の形態を示す模式図である。
【図６（ｂ）】本発明による第二の実施の形態を示す模式図である。
【図６（ｃ）】本発明による第二の実施の形態を示す模式図である。
【図７】本発明による第三の実施の形態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、図面を用いて、本発明の実施の形態を詳細に述べる。  
【実施例１】
【００１７】
まず、図１および図２に本発明の第一の実施の形態を示す。図１は、本発明による光電気複合配線モジュールの断面図である。図１（ａ）は組立工程を表す図、図１（ｂ）は実装が完了した状態である。図２（ａ）、図２（ｂ）は上面図である。
【００１８】
本光電気複合配線モジュールは、第一の基板１と第二の基板２により構成されている。第一の基板１上には、半導体レーザ、フォトダイオード等の光素子１１と、該光素子１１用の光送受信回路１２が搭載されている。実装方式は、本実施例ではともにはんだバンプ１３を用いたフリップチップ実装となっている。光素子１１と光送受信回路１２とは、はんだバンプと第一の基板１に形成された電気配線１４により電気的に接続されている。光素子１１が半導体レーザの場合、光送信回路１２から電気配線１４を介して電気信号が半導体レーザに伝送され、半導体レーザにて電気から光信号に変換される。実装方式に関しては、光素子１１、光送受信回路１２いずれもフリップチップ実装以外の、例えばダイボンディングとワイヤボンディングの組み合わせでも構わない。
【００１９】
発光素子から出射される/受光素子に入射する光信号は、第一の基板下方に伝搬される。すなわち、第一の基板１の該光素子１１が実装される直下は、伝播する光に対して透明である。本実施例では、第一の基板をガラス材として、透明性を確保している。光素子１１の直下には、第一のレンズ１５が配置される。このレンズは、発光素子から出射した光を平行光にする、あるいは受光素子に入射する平行光を受光素子のアパーチャに効率よく集光できる形状にしている。これにより、発光素子から出射した光は第一の基板の下方向に平行光を発する形態となる。あるいは、第一の基板１下方から入射した平行光が受光素子に入射する構造になっている。また、第一の基板１には電気配線１６が形成されている。スルーホール等により第一の基板１上の光素子１１や光送受信回路１２が搭載されている面の反対側に電気的に繋がった構造となっている。
【００２０】
図２（ａ）、図２（ｂ）は、第一の基板の上面図である。第一の基板１上に、発光素子アレイ１１１、受光素子アレイ１１２、光送信回路１２１、光受信回路１２２が搭載されている。光素子と光送受信回路は、基板上の配線１４でしかるべき部分に電気的に接続されている。
【００２１】
本実施例では発光素子アレイと受光素子アレイが同じ基板上に搭載された光トランシーバの形態であるが、発光素子のみ、あるいは受光素子のみであっても構わない。また、本実施例ではアレイ素子が２個設置されているが、１個あるいは３個以上であっても構わない。また、本実施例では一つの光素子アレイに対し１つの光送受信回路という構成だが、これ以外の、例えば一つの光掃除受信回路に２つ以上の光素子アレイの組み合わせ、という構成であっても構わない。
【００２２】
次に、図１（ａ）、図１（ｂ）、図２（ａ）、図２（ｂ）にて第二の基板２について説明する。第二の基板２には、第二のレンズ２１を先端に備えた光ファイバ２２が配置される。光ファイバ２２は、第二の基板に設けられた貫通穴２３を通って、第二の基板の裏面方向に配置されている。光ファイバ２２と第二の基板２は、バネに代表される弾性体２４により繋がっている。また、第二の基板２上には電気ソケット２５も設置されている。
【００２３】
弾性体には例えば、ばね、ゴム、スポンジ等を用いることが出来る。
【００２４】
第一の基板１の下面の電極１７と、第二の基板２上に設置された電気ソケット２５の端子２６は、電極配置が同じ形状になっており、第一の基板１を電気ソケット上に設置することで電気的な接続ができる構造になっている。
【００２５】
一方、光結合部に関しては、第一の基板１に備わる第一のレンズ１５と、第二の基板２に備わる第二のレンズ２１とが、電気ソケット２５に装着した際に対向する形で接触する構造となっている。このとき、第一のレンズの表面１９と第二のレンズの表面２９は、レンズの光軸に対して略垂直（８５〜９５度）に形成されている。これらの二つの表面は、第一の基板を電気ソケットに装着する際に接触する。このとき、第二のレンズの後方には該弾性体が存在するため、２つの表面で接している２枚のレンズは、弾性体２４の復元力によって押さえつけられている。
【００２６】
この際、一方のレンズの背面の片側では片当りして角度ずれが発生する可能性が拭い切れないので、レンズ背面の両側に弾性体を配置することが望ましい。より望ましくはゴム輪などのリング状の弾性体である。
【００２７】
第一の基板の第二の基板の電気ソケット２５とは、勘合ピン２７等により位置合わせされている。その位置合わせ精度は３０μｍ程度である。第一のレンズならびに第二のレンズは、光素子から出射した光信号が第一のレンズで平行光となり、第二のレンズで光ファイバのコアに集光される構造となっている。あるいは、光ファイバから出射した光信号が、第二のレンズで平行光となり、第一のレンズで受光素子に集光される構造になっている。すなわち、当構造における光結合系は２枚レンズ系となっている。
【００２８】
図３（ａ）、図４（ａ）、図５（ａ）に２枚レンズ系における、レンズ間の位置ずれの発生の模式図と、その際のそれぞれの光結合効率の変動を図３（ｂ）、図４（ｂ）、図５（ｂ）にグラフで示す。
【００２９】
図３（ａ）を簡単に説明すると、一例として、２０１は光源、２０２は第１のレンズ、４００は光、３０１は光ファイバ、３０２は第２のレンズ、５００が第２の部材という構成である。
【００３０】
図３（ａ）は光軸に対して平行にずれた場合、図４（ａ）は垂直にずれた場合、図５（ｃ）は角度ずれを起こした場合である。光軸に対し平行なずれに関しては、図３（ｂ）に示すようにほとんど光結合効率は変動しない。垂直方向のずれに対しても図４（ｂ）に示すように1dB低下する位置ずれ量はおおよそ±３０μｍと、比較的許容量が大きい。
【００３１】
一方、角度ずれに関しては、図５（ｂ）に示すように±１度の変化で1dB低下する
本発明において、２枚のレンズの位置合わせは、先に述べた通り勘合ピンを用いる。勘合ピン構造では高精度な位置合わせはできないが、２枚レンズ系の光学特性により高い光結合効率を確保することができる。光軸に平行な方向に関しては、各レンズの表面を突き当てる構造になっており、位置ずれが生じにくい構造になっている。
【００３２】
レンズ間の角度ずれに関しては、レンズ光軸に垂直な表面同士を突き合わせ、かつ弾性体の復元力によって押し付けられているために、位置ずれを起こすリスクが極めて少ない  この２枚のレンズ間を弾性体で結合する方法、および構造自体が本願発明者により案された新規の発明である。
【００３３】
なお、光ファイバ２２に関しては、本実施例ではアレイ状のリボンファイバを用いているが、束線状のもの、あるいは１本ずつばらになったものでも構わない。さらには、光導波路が形成されたフィルムを用いても構わない。
【００３４】
キャップ３１は、水分や塵埃回避のために、必要に応じ取り付けても良い。デバイスの封止方法は、本実施例のようなキャップ以外の、例えばモールディング等の手法を用いても構わない。
【００３５】
以上により、電気接続のみの電子装置と同等の簡易的な実装にて、高効率の光結合を当該実装時に同時できる光電気複合配線モジュールを提供することができる。
【実施例２】
【００３６】
次に、本発明の第二の実施形態について図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）を用いて説明する。
【００３７】
これらの図面は光ファイバ２２の設置構造についてのバリエーションを表す断面図である。図６（ａ）は、弾性体２４に、図１（ａ）に示すようなコイル型のスプリングではなく、板ばね構造を用いたものである。このような構造でもレンズ同士を押し付けることによって復元力が働き、レンズ間の位置変動が発生しにくくなる。また、弾性体として、たとえばゴムに代表される弾性率の小さい樹脂を配置することによっても同様の効果を得ることが可能である。
【００３８】
次に、図６（ｂ）は、光ファイバ２２を第二の基板２の下面でなく上面に引き回す構造である。そのため、第二の基板には、貫通穴２３ではなく、上面に溝２３１を設けており、そこから光ファイバ２２を引き出す構造となっている。この溝は、第二の基板２ではなく、電気ソケット２５の下面に設けても構わない。第二の基板の上下面のスペースや実装された他の部品配置等に応じて、適切な構造を選べばよい。
【００３９】
次に、図６（ｃ）は、第一の基板に備わるレンズ１５が、第一の基板と別の部材からなる場合の構造例である。第一の基板１の光素子１１搭載部の直下には、貫通穴１５１が設けられており、光が透過できる構造になっている。レンズ１５は、その穴の直下に設けられている。
【実施例３】
【００４０】
次に、本発明の第三の実施形態として、本発明による光電気融合配線モジュールが伝送装置に適用される形態を、図７を用いて説明する。
【００４１】
図７において、第二の基板２上には、スイッチＬＳＩ等のＩＣ１０１が搭載されている。ＩＣ１０１は、第二の基板上の電気配線２８、電気ソケットの電極２６、第一の基板１の配線１６等を介して光送受信回路１２に電気的に接続されている。すなわち、ＩＣ１０１からの電気信号が光送信回路１２に伝送され、さらに光送信回路１２から電気信号が発光素子１１に伝送され、光信号に変換された後に光ファイバ２２を伝搬して光信号が伝送される。あるいは、光ファイバ２２を伝搬してきた光信号が受光素子１１で電気信号に変換され、光受信回路１２を通ってＩＣ１０１に達する。光ファイバの端部は光コネクタ１０２が備わっており、ここに別の光ファイバ等を接続することによりボード間やラック間の光伝送が可能となる。
【００４２】
なお、本実施例では、光電気複合配線モジュールとして、図１に示される実施例１の形態を適用しているが、それ以外の実施例２の形態についても適用可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１・・・・第一の基板
１１・・・光素子
１１１・・発光素子
１１２・・受光素子
１２・・・光送受信回路
１２１・・光送信回路
１２２・・光受信回路
１３、１３１、１３２・・・はんだバンプ
１４・・・第一の基板上の電気配線
１５・・・第一の基板に備わるレンズ
１５１・・・第一の基板に備わる貫通穴
１６・・・第一の基板に内装される電気配線
１７・・・第一の基板に備わる電極パッド
１８・・・勘合ピン穴
１９・・・第一のレンズの光軸に垂直な平面
２・・・・第二の基板
２１・・・レンズ
２２・・・光ファイバ
２３・・・第二の基板に備わる貫通穴
２３１・・溝
２４・・・弾性体
２５・・・電気ソケット
２６・・・電気ソケットの電極
２７・・・勘合ピン
２８・・・第二の基板上の電気配線
２９・・・第一のレンズの光軸に垂直な平面
３１・・・キャップ
１００・・光電気複合配線モジュール
１０１・・ＩＣ
１０２・・光コネクタ
【図１（ａ）】
2016027351.tif 000003
【図１（ｂ）】
2016027351.tif 000004
【図２（ａ）】
2016027351.tif 000005
【図２（ｂ）】
2016027351.tif 000006
【図３（ａ）】
2016027351.tif 000007
【図３（ｂ）】
2016027351.tif 000008
【図４（ａ）】
2016027351.tif 000009
【図４（ｂ）】
2016027351.tif 000010
【図５（ａ）】
2016027351.tif 000011
【図５（ｂ）】
2016027351.tif 000012
【図６（ａ）】
2016027351.tif 000013
【図６（ｂ）】
2016027351.tif 000014
【図６（ｃ）】
2016027351.tif 000015
【図７】
2016027351.tif 000016