JP4391564B2 - 単芯光ファイバーケーブルを用いる双方向光トランシーバーモジュール - Google Patents

Description

本発明は光ファイバーケーブルを使用した光トランシーバーモジュール、つまり単芯の波長の異なる２波長の光源を使って、双方向送信が可能な光トランシーバーモジュールに関するものである。

光通信での電気から光への変換とは、デジタル電気信号入力からの電気信号を発光デバイスのオンかオフで、光信号へ変換することを意味し、また、光から電気への変換は、光ケーブルを通って伝えられた光信号を受信する受光デバイスによって光信号から電気信号へ変換することを意味する。大容量のデータは光通信によって長距離を送信することができる。

データの送信と受信のための光ケーブルが、２つの異なる場所から同時にデータを送信、受信するのに必要である。光ケーブル自体には指向性がないため、光はケーブルのＡからＢまで送信され、反対に光はＢからＡまで送信されることが可能である。それは光データが単芯の光ケーブルを使って、双方向に送信できることを意味している。しかし発光デバイスからの光信号と受光デバイスへの光信号は分かれているべきで、モジュールは光信号の送信と受信を図1に示したように分けることが必要であった。

図１はこれまでの双方向の光トランシーバーモジュールの配線図である。効果的に送受信信号を分けるために、2つの異なる波長１１、１２の光が、各点で使われる。例えばもし、波長１１の発光デバイス１０４がＡ地点で使われていれば、波長１２の発光デバイス１０４ｂがＢ地点で使われる。一般に、発光ダイオードＬＥＤあるいはレーザーダイオードＬＤが発光デバイス１０４、１０４ｂとして使われ、フォトダイオードＰＤは受光デバイス１０５、１０５ｂとして使われる。図1に示されるように、Ａ地点の発光デバイス１０４から発せられた波長１１の光が光フィルター１０１を通じ受光デバイス１０５に向かった場合、光フィルター１０２が反射し、そしてそのため、波長１１の光は光ケーブル１０７に入り、Ａ地点の受光デバイス１０５に行くことができない。 同じ原理はＢ点に適用し、これは1つの光ケーブル１０７での双方向光通信を可能にする。

上記のような従来の双方向光トランシーバーモジュールには高価な金属のＴＯ缶パッケージを使わなければならないことと、レンズ、光学フィルター１０１、１０２、光ケーブル１０７のアセンブリのために、精密なレンズの光学的位置合せが要求されるという問題がある。光学的位置合せを行うために、ＴＯ缶パッケージ１０４の中の発光デバイスは発光していることが必要である。光トランシーバーモジュールの中のデバイスと光コンポーネントは、反対側の光トランシーバーモジュールの中の受光デバイス１０５に光を送るため、精密な光学的位置合せのプロセスを必要とする。光学的位置合せが完了した後、発光デバイス１０４と受光デバイス１０５は金属のボディー１０３と溶接される。上記のような光学的位置合せプロセスがアクティブアラインメントと呼ばれる。アクティブアラインメントはアセンブリのために相当な時間を必要とし、位置合せの機能を持ったレーザー溶接マシンのような非常に高価な機器を必要とする。上記の問題を克服するために、アクティブプロセスのないパッシブアラインメントプロセスが考案された。 パッシブアラインメントのプロセスは光デバイスの位置を合せるのに、光学的位置合せプロセスの代わりに、既に位置合せされた構造を使用する。通常、光デバイスのような光導波管や、半導体プロセスに基づくシリコンオプティカルベンチが使用されている。又は、光導波管とシリコンオプティカルベンチの組み合わせが可能である。

特に、光導波管は同じような動作原理を使用し、光を限定された空間構造に伝播させるデバイスである。光は、より低い屈折率材料で囲まれた中心を通って伝わる。半導体製造工程を使うので光導波管は１ｍｍの精度の範囲内で製造することができる。一度光が光導波路に入射すると、光は限定され、主に内部中心に導かれるので、光は位置合せなしで特定のポジションに伝えられることができる。光学的位置合せは光ファイバー、光学フィルター、受光デバイス、発光デバイスをアレンジすることで得られる。光導波管自体は正確に製造されることができるが、しかし、予め位置合わせされた構造が、光導波路、受光デバイス、発光デバイスを特定の位置に配置するのに必要である。正確に予め位置合わせされた構造はシリコンオプティカルベンチを使用して実装される。シリコンオプティカルベンチへの組み立て工程は以下に説明されている。

特定のパターンの形成された薄いフィルムがフォトリソグラフィー工程を使用しシリコン基板の上に実装される。 特定のパターンの形成された溝はエッチング溶液にシリコン基板を浸すことと、選択的に、パターンされた薄いフィルムでエッチング溶液を遮断することで形成される。組み立てられた構造はシリコンオプティカルベンチと呼ばれ、光導波管を挿入することと、受光デバイス、発光デバイスをシリコンオプティカルベンチの組み立てられた溝の上に差し込むことで良好なアライメントを得ることができる。示されているような、半導体工程を使用した光学的位置合わせの成されたコンポーネントはとても高い精密さがあるが、組み立て工程は簡単ではなく、低価格大量生産には適さない。 それらの精密な部品はアセンブルされる他の部品を必要とし、そのためすべての部品が半導体工程で製造されない限り、必要とされている確度は維持されない。 しかし半導体工程を使用して全ての装置の製造が実際には可能なわけではなくて、この問題のための解決が必要とされる。

本発明の目的は、モジュール化された発光デバイス、受光デバイス、フィルター及びレンズで形成された、単芯光ファイバーケーブルを用いる双方向光トランシーバーモジュールを提供することであり、そしてそれらの光学的位置合わせはそれらを個別に接続することで完成され、本発明によって低価格大量生産が可能となる。本発明のもう１つの目的は、低価格大量生産を可能にするプラスチック射出成型を使って、単芯光ファイバーケーブルを使用した双方向光トランシーバーモジュールを提供することである。本発明のもう１つの目的は、静電遮蔽を可能とする送信モジュール及び受信モジュールを提供することである。

本発明の目的を達成するために、本発明は、発光デバイスを含む送信モジュール；受光デバイスを含む受信モジュール；送受信の光を分けているフィルターモジュール；そして送信モジュール、受信モジュール、フィルターモジュール、及び光ファイバーケーブルに接続したレンズモジュール、を含んで構成され、そしてそれらをそれぞれ接続することによって、光学的位置合わせを完成する。

最も望ましい、送信モジュール、受信モジュール、レンズモジュール及びフィルターモジュールを組み立てる方法は、それぞれをプラスチック射出成型で形成することである。レンズモジュールは、光ファイバーケーブルを接続している容器を含んでおり；特定の位置で、レンズモジュールと送信モジュールを接続している第１接続部を含み；特定の位置で、レンズモジュールと受信モジュールを接続している第２接続部を含み； そして特定の位置でレンズモジュールとフィルターモジュールを接続している第３接続部、を含んでいる。

本発明によると、 発光デバイスが実装された送信モジュールと受光デバイスが実装された受信モジュールはガイド溝によってレンズモジュールと接続されている。そして正確に機械でモールドされたガイドピンと発光デバイス、受光デバイスと光ファイバーケーブルは単にそれぞれのモジュールを接続することにより正確にアラインされる。そしてレンズモジュールの中に形成されたレンズが効果的に光ファイバーケーブルに集光することを可能にする。更にレンズモジュールを含むすべての部品がプラスチック射出成型プロセスで製造され、これが低価格大量生産を可能とする。

しかし、この発明は添付の図を参考とした例として充分に述べられてきたが、この技術に精通した人にとっては、多くの変更と改良が行われることが明らかであることにも注意しておくべきである。従ってそのような変更と改良が本発明の範囲から外れない限り、それらはそこに含まれていることとして解釈されるべきである。

光トランシーバーモジュールはデジタル信号を入力として受け取り、発光デバイスを使って、それを光学的な信号に変え、反対側のトランシーバーモジュールに送信し、逆に反対側で光トランシーバーモジュールからの光信号を受け取り、光信号に変換する。光信号の送信と受信は単芯の光ファイバーケーブルを使うので、送信と受信の各々の光学的な波長が異なるものとする。

本発明は、光発光デバイス２０４と受光デバイス２０５を含む送信モジュール２２３と受信モジュール２２４それぞれをプラスチック射出成型モールディングで組み立てられたレンズモジュール２２１に接続することによって光アライメントを完成する。

送信モジュール２２３は発光デバイス２０４を含み、発光ダイオード（ＬＥＤ）あるいは面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）が一般に発光デバイスとして使われる。送信モジュール２２３はデジタル電気信号を入力として受け取り、発光デバイスを使って光シグナルに変換し、反対側の光トランシーバーモジュールに送信する。

受信モジュール２２４は受光デバイス２０５を含んでいて、光を電気信号に変換し、一般にフォトダイオードが受光デバイスとして使われる。受信モジュール２２４は、受光デバイスを使用し、反対側の光トランシーバーモジュールから送信された光シグナルを受信し、電気信号に変換する。

レンズモジュール２２１とフィルターモジュール２２２は、送受信された光シグナルを分離する。そのため、双方向の光通信が単芯の光ファイバーケーブルで可能である。送信レンズ２１１を含むレンズモジュール２２１が送信モジュール２２３からの光を平行にしている。受信レンズ２１２は受信モジュール２２４の内部に有る受光デバイス２０５に光を収束している。そしで、レセプタクルレンズ２１３が、光を、光ファイバーケーブルに収束し、同時に、光ファイバーケーブルからの光を、平行にする。送受信された光シグナルを効果的に分離するため、送信と受信の波長は異なるべきで、フィルターモジュール２２２内の光フィルター２０１が使用される。フィルターモジュール２２２は送信と受信の間の光シグナルを分離する。光フィルター２０２は受信モジュール２２４の前にあって送信モジュール２２３からの光を遮る。

２つの光シグナルの分離は、２つの光フィルター２０１、２０２を使用することによって実行される。１つの光フィルター２０２は長波光を反射して、短波の光を送信する。もう１つは逆に光フィルター２０１が長波光を伝えて、短波の光を反射する。Ａ地点での１つの送信モジュール２２３は発光デバイス２０４を使用し長波光を発光し、Ｂ地点でのもう１つの送信デバイスは発光デバイス２０４ｂを使用し短波の光を発光する。長波長と短波長はそれぞれ相対的な値を意味し、絶対的な値を意味する訳ではない。長波長と短波長との違いはある範囲の中で変化に富み、どの違いも、光フィルターで分けられる。例えば、８５０ｎｍＶＣＳＥＬと７８０ｎｍＶＣＳＥＬはそれぞれ光発光デバイスとして使用される。光フィルターは４５度の角度で、光ファイバーケーブル２０７と送信モジュールの間に挿入される。

図４は図２のフィルターモジュールのレンズモジュールを示す。ガイドピン４３３、４３４は、部品を挿入し、送信モジュール２２３と受信モジュール２２４を正確にアラインするためモジュールに形成されたものである。レンズモジュール２２１はプラスチックの射出成型によって製造されたものである。前述のレンズ２１１、２１２、２１３、挿入部分４２２、４２３、４２４及びガイドピン４３３、４３４は射出成形で完全に統合された部品に形成される。光がレンズモジュールを通して伝わるので、レンズモジュール２２１の素材は透明であるものとする。透明のポリメチル・メタクリレート（ＰＭＭＡ）やポリカーボネイト（ＰＣ）が素材として使用可能である。

図５は図４のフィルターモジュールを拡大図である。 フィルターモジュール２２２はレンズモジュール２２１に光フィルター２０１を簡単に挿入するために、分離した部品として製造されたものである。光フィルターの外形寸法は１ｍｍ×１ｍｍで、厚さが０．１〜０．２ｍｍである。光フィルター２０１の取扱いと挿入は、単体では小さく薄いサイズのためにとても難しい。正確に光フィルターを挿入しアラインするために、挿入された光フィルター２０１を含むフィルターモジュール２２２は使用される。 フィルターモジュール２２２には光フィルター２０１を挿入するためのベース５０１がある。 ベースには光を伝えるためのスルーホールがある。フィルターモジュールは扱いやすく、光フィルターより大きいサイズなのでレンズモジュールに挿入するのが簡単である。フィルターモジュールのトップの部分は、ほこりのような異物からレンズモジュールの内部を保護するためにカバーとして使うことが可能である。フィルターモジュールは従来のプラスチック射出成型で製造される。

図６は発光デバイスから光ファイバーケーブルまでのビーム光軌道を示している。図７は光ファイバーケーブルから受光デバイスまでのビーム光軌道を示している。図８は図２の送信モジュールの構造を示している。

送信モジュール２２３は光発光デバイスに電気信号を伝達するメタルリードフレーム８０４ａ、８０４ｂを含み、発光デバイスをリードフレームの特定の位置に挿入するため四角い穴が形成される。そして、発光デバイスが、四角い穴に挿入される。ガイド溝８０１はレンズモジュール２２１のガイドピン（図４の４３３）に接続するために、送信モジュール２２３の両サイドに形成されたものである。レンズモジュールのガイドピンが送信モジュールのガイド溝に接続するとき、送信側のレンズモジュールの中心と発光デバイスの発光ポイントの中心が適合する。送信モジュールはプラスチック射出成型で形作られる。

メタルリードフレーム８０４ｂは送信モジュールの発光デバイス２０４を挿入された四角い穴の下側で露出されている。そして発光デバイスは少量の電気的に導電な接着剤を四角い穴の中のメタルリードフレームの露出した表面に施した後、表面に実装され、そして、リードフレーム８０４ｂと発光デバイスの下側が電気的に接続される。発光デバイスの上部のメタルパッドともうひとつのリードフレーム８０４ａは細い金属のワイヤー８０２を使用することによって接続される。そうすることにより、電流シグナルはリードフレーム８０４ａ、８０４ｂを通して転送される。

図９は図２の受信モジュールの構造を示す。受信モジュール２２４はメタルリードフレーム９０４ａ、９０４ｂ、９０４ｃを含み、受光デバイス２０５から作られた電気信号を転送する。そして四角い穴がリードフレームの特定のポジションに受光デバイスを挿入するために形成される。受信モジュール２２４がレンズモジュール２２１に接続する時、その溝は受光口径の中心とレンズの中心が適合するようにプレアラインされる。受光デバイス２０５に加えて、受光デバイス２０５から作られた電気信号を増幅するためのプリアンプＩＣ９０５と他の部品として、コンデンサー９０６がプリアンプを駆動するために挿入されている。ガイド溝９０１はレンズモジュール２２１のガイドピン４３４に接続するために受信モジュール２２４の両サイドに形成されている。受信モジュールは射出成型で形成されている。メタルリードフレーム９０４ｃは受信モジュール２２４の受光デバイス２０５を挿入した四角い穴の下側に露出している。そして、受光デバイスは少量の電気的に導電な接着剤を四角い穴の内部のメタルリードフレームの露出した表面に施した後、表面に実装される。その後、リードフレーム９０４ｃと下部の受光デバイスは電気的に接続される。受光デバイスの下部はリードフレーム９０４ｃを通して接続され、リードフレームは細いメタルワイヤー９０２を通して、プリアンプ９０５に接続されている。受光デバイス２０５の上部メタルパッドはプリアンプ９０５に細いメタルワイヤー９０２を使って直接接続されている。プリアンプは、他のリードフレームの表面に電気的に導電な接着剤を施すことによって、実装される。延長したメタルリードフレーム９１１はプレアンプの下部表面に接続されており、電気遮蔽をするための金属カバーを意味し、９０３はプラスチック射出成型で形成された受信モジュールの本体を意味する。光フィルター２０２は受光デバイス２０５の上に実装され、エポキシボンドのような接着剤で固定される。光フィルター２０２は送信モジュールから来る光信号以外の迷光を遮断する。

図１０は図９で遮られた受信モジュールの構造を示す。レシーバーモジュールは延長されたメタルリードフレームで覆れており、図１０で示されるように、延長されたメタルリードフレームを折りたたむことによってアースされている。これにより受信モジュールの内部が電気的に遮蔽される。１００１は受光デバイスに光を送るスルーホールを意味する。上に示された電気の遮蔽は、プリアンプから放たれた高周波シグナルによる電磁波が外部に放射されるのを防ぎ、そしてフォトダイオードの出力信号を外部から結合された電磁波から守る。加えて、外部からの迷光を遮断することにより光シグナルの検出感度を増すことができる。

本発明はデータ通信網のように高速デジタルデータ伝達のために広く使われるものとする。例えばデータコムネットワーク、アクセスネットワーク、宅内ネットワーク、ストレージエリアネットワーク、そしてＩＥＥＥ１３９４、ＤＶＩ／ＨＤＭＩ、ＵＳＢ、その他といったデジタルマルチメディア光通信の為のコンシューマーファイバーオプティクスである。本発明は従来の光トランシーバーモジュールと比べて劇的に光通信のための製造原価及びプロセスを減らす。よって本発明が業界と消費市場の光通信製品の広範囲にわたる展開を可能にする。

は従来の双方向の光トランシーバーモジュールを示す説明図である。 は本発明による単芯の光ファイバーを使用した双方向トランシーバーモジュールを示す説明図である。 は本発明を使用し動作している双方向光通信を示す説明図である。 はレンズモジュールとフィルターモジュールの構造を示す斜視図である。 は、図4のフィルターモジュールの拡大した斜視図である。 は発光デバイスから光ファイバーケーブルまでのビーム光軌道の説明図である。 は光ファイバーケーブルから受光デバイスまでのビーム光軌道の説明図である。 は、図2の送信モジュールの構造を示す斜視図である。 は、図2の受信モジュールの構造を示す斜視図である。 は、図9の遮蔽された受信モジュールの構造を説明する斜視図である。

符号の説明

２０１、２０１ｂ、２０２、２０２ｂ 光フィルター
２０４、２０４ｂ 発光デバイス
２０５、２０５ｂ 受光デバイス
２０７ 送信ケーブル
２１１ 送信レンズ
２１２ 受信レンズ
２１３ レセプタクルレンズ
２２１ レンズモジュール
２２２ フィルターモジュール
２２３ 送信モジュール
２２４ 受信モジュール
４２２、４２３、４２４ 挿入部分
４３３、４３４ ガイドピン
５０１ ベース
８０１ ガイド溝
８０２ 金属のワイヤー
８０４ａ、８０４ｂ、９０４ａ、９０４ｂ、９０４ｃ、９１１ メタルリードフレーム
９０３ 受信モジュールの本体
９０５ プリアンプＩＣ
９０６ コンデンサー
１００１ スルーホール

Claims (10)

1. 発光デバイスを含んだ光送信モジュール；受光デバイスを含んだ光受信モジュール；送信された光と受信された光を、送信する光を前述の光送信モジュールから光ケーブルに向かって導き、そして受信した光を前述の光ケーブルから導くことによって分けるフィルターモジュール；そして単芯光ファイバーケーブルを使用した双方向光トランシーバーモジュールは、双方向光トランシーバーモジュールを光学的に位置合わせするレンズモジュールを含み、前記レンズモジュールは、光ファイバーケーブルを接続している容器；特定の位置で、レンズモジュールと送信モジュールを接続している第１接続部；特定の位置で、レンズモジュールと受信モジュールを接続している第２接続部； そして特定の位置でレンズモジュールとフィルターモジュールを接続している第３接続部、を含み、かつ、光送信レンズを含んだレンズモジュールは、発光デバイスからの発光を平行にする光送信レンズ；光ファイバーケーブルからの光を集め、前述の受光デバイスに集光する光受信レンズ；そして前述の発光デバイスからの光を集め、前述の光ファイバーケーブルへ集光する、光トランシーバーモジュール側へ向かって前述の光ファイバーケーブルからの発光を平行にするレセプタクルレンズ、を含み、送信レンズ、受信レンズ、レセプタクルレンズ、レンズモジュール内のレセプタクルは、透明な素材で一つのボディーを形成している単芯光ファイバーケーブルを使用した双方向光トランシーバーモジュール。
2. 光送信モジュール、光受信モジュール、レンズモジュール、フィルターモジュールはプラスチック射出成型で、それぞれ、組み立てられた請求項１記載の単芯光ファイバーケーブルを使用した双方向光トランシーバーモジュール。
3. フィルターモジュールは、第一波長光を送信し、第一波長光とは異なる第二波長光を反射する請求項１記載の単芯光ファイバーケーブルを使用した双方向光トランシーバーモジュール。
4. 第１接続部は、レンズモジュールか送信モジュールのいずれかで形成されたガイドピンを含み；そして前述のレンズモジュールか送信モジュールのいずれかで形成されたガイド溝を含む請求項１記載の単芯光ファイバーケーブルを使用した双方向光トランシーバーモジュール。
5. 第２接続部は、レンズモジュールまたは送信モジュールに形成されたガイドピンを含み；そして前述のレンズモジュールまたは送信モジュールで形成されたガイド溝を含む請求項１記載の単芯光ファイバーケーブルを使用した双方向光トランシーバーモジュール。
6. 第３接続部は、フィルターモジュールとレンズモジュールを結合するためのレンズモジュールの溝を含み、そして前述のフィルターモジュールの上部は、レンズモジュールの前述の溝に挿入され固定される請求項１記載の単芯光ファイバーケーブルを使用した双方向光トランシーバーモジュール。
7. レンズモジュールと送信モジュールが、第１の接続部によって接続している、前述の送信モジュールは送信レンズの中心に一致する位置にある溝を含む；そして、前述の発光デバイスは溝に挿入され、発光デバイスからの光は送信レンズの中心に入射する請求項１記載の単芯光ファイバーケーブルを使用した双方向光トランシーバーモジュール。
8. レンズモジュールと受信モジュールが、第２の接続部によって接続している、前述の受信モジュールは受信レンズの中心に一致する位置にある溝を含み；そして、受光デバイスは溝に挿入され、受光レンズからの光は受光デバイスの中心に入射する請求項１記載の単芯光ファイバーケーブルを使用した双方向光トランシーバーモジュール。
9. 受信モジュールは静電遮蔽のためのリードフレーム部品を含み、受光デバイスと電気装置を挿入した後、遮蔽の為の部品を折りたたみ、受信モジュールの上部表面をカバーすることにより、静電遮蔽を具現化する請求項１記載の単芯光ファイバーケーブルを使用した双方向光トランシーバーモジュール。
10. 送信モジュールは静電遮蔽のためのリードフレーム部品を含み、発光デバイスを挿入した後、遮蔽の為の部品を折りたたみ、送信モジュールの上部表面をカバーすることにより、静電遮蔽を具現化する請求項１記載の単芯光ファイバーケーブルを使用した双方向光トランシーバーモジュール。

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