JP4899762B2 - 光電気変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、光素子を備えた光電気変換装置に関するものである。

従来、光電気変換装置としては、例えば特許文献１の図９に記載されているように、電気信号を光信号に変換して発光する発光素子と、この発光素子に電気信号を送信するためのＩＣ回路が形成され、発光素子が発光する側と反対側から一方面に実装される基板と、発光素子から基板の一方面と直交する方向に延びるように配設されて、発光素子が発光する光を伝送する導波路とを備えたものが知られている。なお、前記発光素子に代えて、受光して光信号を電気信号に変換する受光素子を用いることも可能である。

また、特許文献１の図９に記載された光電気変換装置では、基板の他方面に、配線基板に設けられた雌型の電気コネクタと着脱可能な雄型の電気コネクタが設けられており、これらの電気コネクタ同士が接続されることによって、基板と配線基板とが電気的に接続されるようになっている。
特開２００１−４２１７０号公報

しかしながら、前記のような構成では、導波路が発光素子から基板の一方面と直交する方向に延びるように配設されているため、装置全体の高さはかなり高くなる。

ここで、特許文献１の図３に記載されているように、基板の端面に電気コネクタを設けて、発光素子の発光する方向を配線基板と平行な方向にすることも考えられるが、このようにしても少なくとも発光素子の大きさ分や制御ＩＣ素子の大きさ分の装置高さが必要になるため、装置高さをあまり抑えることはできない。

そこで、本出願の出願人は、装置の低背化を図ることができるようにするために、光素子を発光する側または受光する側からマウント基板の一方面に実装し、このマウント基板に光素子用のＩＣ回路を設けるとともにマウント基板の一方面またはその反対側の他方面に外部コネクタと着脱可能な電気コネクタを設け、さらに光素子と光学的に結合する導波路をマウント基板の一方面または他方面に沿うようにマウント基板に設けた光電気変換装置を提案した。

この光電気変換装置であれば、マウント基板の板厚方向における装置全体の高さを抑えることができ、装置の低背化を図ることができる。

このような光電気変換装置においては、外部コネクタと着脱可能な電気コネクタの高さを抑えることで、装置のより低背化を図ることが望まれる。

本発明は、このような要望に鑑み、装置をより低背化できるとともに、製造工数の簡略化や部品点数の削減もできる光電気変換装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、電気信号を光信号にまたは光信号を電気信号に変換する光素子と、この光素子に電気信号を送信するまたは光素子から電気信号を受信するためのＩＣ回路と、前記光素子とＩＣ回路が一方面に実装されるマウント基板と、この一方面に沿うようにマウント基板に形成された導波路形成用溝内に設けられ、前記マウント基板の端面まで延び、マウント基板の端面で外部導波路と接合される内部導波路と、前記マウント基板の一方面に設けられ、外部コネクタと着脱可能な電気コネクタとを備え、前記マウント基板の一方面に前記電気コネクタのハウジングが一体化されていることを特徴とするものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載の光電気変換装置において、前記マウント基板の成形時に、マウント基板の配線パターンに接続された電気コネクタの端子が同時にインサートモールドされることで、ハウジングが一体化されることを特徴とするものである。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載の光電気変換装置において、前記マウント基板は、セラミック、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれか１つ若しくはそれらの組み合わせで成形されていることを特徴とするものである。

請求項１の発明によれば、マウント基板の一方面に、光素子とＩＣ回路とを実装し、この一方面に沿うようにマウント基板に形成した導波路形成用溝内に内部導波路を設けるとともに、さらに、この一方面に、電気コネクタのハウジングを一体化したものであるから、電気コネクタを半田ボール等でマウント基板の配線パターンに接続する必要が無くなるので、位置決め作業や接続作業が不要となって製造工数が簡略化するとともに、接続のためのスペースが不要となって、装置のより低背化が図れるようになる。また、マウント基板の配線パターンと電気コネクタとの間で電極ピッチを変換するためのインターポーザ基板が不要になるので、部品点数が削減できるようになる。

請求項２の発明によれば、マウント基板の配線パターンに接続した電気コネクタの端子をマウント基板の成形時に、同時にインサートモールドすることで、マウント基板に電気コネクタのハウジングを一体化できるので、電気コネクタのハウジングを容易に一体化できるようになる。

請求項３の発明のように、マウント基板をセラミック、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれか１つ若しくはそれらの組み合わせで成形することで、マウント基板と電気コネクタの射出成形やプレス成形が可能になるとともに、端子を簡単にインサートモールドできるようになる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、図１〜図７を参照して、本出願人が以前に提案した光電気変換装置１Ａを参考例として説明する。この光電気変換装置１Ａは、一の配線基板２に電気コネクタ６，７同士の嵌合によって装着される発光側光電気変換部（Ｅ／Ｏモジュールともいう）１Ａ１と、他の配線基板２に同じく電気コネクタ６，７同士の嵌合によって装着される受光側光電気変換部（Ｏ／Ｅモジュールともいう）１Ａ２と、これらの変換部１Ａ１，１Ａ２を光学的に連結する外部導波路９とを備えている。

なお、本明細書では、図１の上下方向を上下方向、図１の紙面と直交する方向を左右方向というとともに、発光側光電気変換部１Ａ１に対しては図１の右側を前方、左側を後方といい、受光側光電気変換部１Ａ２に対しては図１の左側を前方、右側を後方という。

発光側光電気変換部１Ａ１は、平面視で前後方向に延びる長方形状をなすマウント基板３を備えている。このマウント基板３の下面となる一方面３ａには、図２に示すように、電気信号を光信号に変換して発光する発光素子４Ａと、この発光素子４Ａに電気信号を送信するためのＩＣ回路５０Ａが形成されたＩＣ基板５Ａとが実装されているとともに、これら４Ａ，５Ａを下方から覆うようにヘッダ型電気コネクタ（以下、単に「ヘッダ」という）６が設けられている。また、マウント基板３の一方面３ａには、発光素子４Ａの駆動用電源ラインや信号ラインが配線パターン３６で形成されている（図４参照）。さらに、マウント基板３には、発光素子４Ａの真上となる位置に発光素子４Ａが発光する光の光路を略９０°変換するミラー部３３が設けられているとともに、発光素子４Ａと光学的に結合する内部導波路３１がミラー部３３からマウント基板３の前端面３ｂまで延びるように設けられている。

発光素子４Ａは、上下方向に扁平な正方形板状の形状を有し、上面から上方に発光するものであり、発光する側からマウント基板３の一方面３ａに実装されている。この発光素子４Ａとしては、半導体レーザーであるＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）が採用されている。ＩＣ基板５Ａは、ＶＣＳＥＬを駆動させるドライバＩＣであり、上下方向に扁平な正方形板状の形状を有し、発光素子４Ａの近傍に配置されている。そして、発光素子４ＡおよびＩＣ基板５Ａは、金または半田からなるバンプ１１（図３参照）でマウント基板３の配線パターン３６に接続されている。なお、発光素子４Ａとしては、ＬＥＤ等も採用可能であるが、ＬＥＤ等は指向性がなく、内部導波路３１に光結合する割合が小さいので、光の効率に余裕があることが条件となり、その場合には低価格という点で有利である。

マウント基板３は、実装時の熱の影響や使用環境による応力の影響を避けるために、剛性が必要である。また、光伝送の場合は、発光素子から受光素子までの光伝送効率が必要になるので、光素子を高精度に実装することや使用中の熱影響による位置変動を極力抑制する必要がある。このため、マウント基板３としては、シリコン基板が採用されている。また、マウント基板３は、発光素子４Ａと線膨張係数の近い材料で構成されていることが好ましく、シリコン以外には、ＶＣＳＥＬ材料と同系統のＧａＡｓ等の化合物半導体で構成されていてもよい。

ミラー部３３は、マウント基板３がエッチングされることにより形成された４５°傾斜面に金やアルミニウムを蒸着することにより形成することができる。なお、４５°傾斜面は、シリコン結晶のエッチング速度の違いを利用した異方性エッチングにより形成することができる。異方性エッチングには、例えば水酸化カリウム溶液が用いられる。

内部導波路３１は、マウント基板３の一方面３ａに沿って設けられており、発光素子４Ａが発光する光をマウント基板３の一方面３ａと平行な方向に伝送するものである。この内部導波路３１は、屈折率の異なる２種類の樹脂から構成されている。具体的には、内部導波路３１は、図３に示すように、屈折率の高い樹脂からなるコア３１ａと、コア３１ａを周囲から覆う屈折率の低い樹脂からなるクラッド３１ｂとで構成されており、マウント基板３に形成された導波路形成用溝３２内に配設されている。コア３１ａおよびクラッド３１ｂのサイズは、発光素子４Ａの発散角度と後述する受光素子４Ｂの受光径等による光損失計算から決定される。なお、内部導波路３１は、樹脂以外にも石英等の光透過性のある材料であれば無機材料で構成されていてもよい。

導波路形成用溝３２は、前記４５°傾斜面を形成するのと同様に、異方性エッチングにより形成することができる。なお、異方性エッチング以外にも、導波路形成用溝３２の形成には、反応性イオンエッチング等のドライエッチングの形成方法がある。

図４および図５（ａ）（ｂ）に示すように、断面略矩形状の導波路形成用溝３２と４５°傾斜面とを異方性エッチングにより形成するときには、それらのエッチング条件は異なる。すなわち、エッチング溶液の組成が異なる。従って、エッチングを２回に分けて行う必要がある。ただし、どちらを先に行ってもよい。

あるいは、導波路形成用溝３２を４５°傾斜面と同時に形成するときには、図５（ｃ）および（ｄ）に示すように、導波路形成用溝３２の断面形状が略台形状になって導波路形成用溝３２の溝幅が大きくなる。導波路形成用溝３２は、発光素子４Ａ用のボンディングパッドにかからなければ問題ないため、このようにすることも可能である。

マウント基板３の前端面３ｂには、外部導波路９が光学用接着剤によって接合されるようになっており、この接合により、内部導波路３１は外部導波路９と光学的に結合されるようになる。なお、ミラー部３３から外部導波路９までの距離が短ければ、単に空気中に光を伝搬させるようにしても損失が少ない場合があるため、この場合には、内部導波路３１を省略して、ミラー部３３から外部導波路９に直接光を入射させるようにしてもよい。

外部導波路９は、樹脂型光導波路を薄型化したフレキシブルなフィルム状のものを用いた方が取り扱い上便利である。つまり、フィルム状の外部導波路９であれば、屈曲性に優れており、例えば携帯電話等の折り曲げ部に使用しても問題ない。折り曲げの曲率によっては光の損失が発生することもあるが、これはコアとクラッドの屈折率差を大きくすることによって低減させることが可能である。なお、外部導波路９としては、フィルム状のもの以外でも、石英系ファイバやプラスチックファイバであってもよい。

ヘッダ６は、配線基板２に設けられた外部コネクタであるソケット型電気コネクタ（以下、単に「ソケット」という）７と着脱可能なものである。なお、ヘッダ６とソケット７は相互に入れ替え可能であり、マウント基板３にソケット７が設けられ、配線基板２にヘッダ６が設けられていて、ヘッダ６が外部コネクタとなっていてもよい。

ソケット７は、図６（ａ）に示すように、平面視で前後方向に延びる略長方形状をなしている。このソケット７は、ソケット本体７２と、このソケット本体７２に保持される端子７１とを有しており、ソケット本体７２には、平面視で長方形枠状の嵌合凹部７２ａが設けられていて、この嵌合凹部７２ａ内に端子７１が露出している。また、端子７１の端部は、ソケット本体７２から左右方向に張り出しており、この端部が図略の半田等によって配線基板２の上面に形成された図略の配線パターンに接続されている。ソケット７は、通常はリフローによって配線基板２に実装される。

一方、ヘッダ６は、図６（ｂ）に示すように、下面視でソケット７よりも一回り小さな前後方向に延びる略長方形状をなしている。このヘッダ６は、ヘッダ本体６２と、このヘッダ本体６２に保持される端子６１とを有しており、ヘッダ本体６２には、ソケット７の嵌合凹部７２ａに嵌合可能な下面視で長方形枠状の嵌合凸部６２ａが設けられていて、この嵌合凸部６２ａの表面に端子６１が露出している。また、端子６１の端部は、ヘッダ本体６２から左右方向に張り出しており、この端部が半田ボール１０によってマウント基板３の配線パターン３６に接続されている。また、ヘッダ６のマウント基板３への実装には、半田ボール以外にも端子用ポストやピン等を用いることが可能である。なお、マウント基板３と半田ボール１０を含めた高さは、１ｍｍ程度である。

そして、ヘッダ６の嵌合凸部６２ａがソケット７の嵌合凹部７２ａに差し込まれてそれらが嵌合すると、端子６１，７１同士が接触して配線基板２の配線パターンとマウント基板３の配線パターン３６とが電気的に接続されるようになる。このときのソケット７の下面からヘッダ６の上面までの高さは１ｍｍ程度である。このため、発光側光電気変換部１Ａ１を配線基板２に装着したときの配線基板２の上面からマウント基板３の上面となる他方面３ｃまでの高さは２ｍｍ程度となる。

受光側光電気変換部１Ａ２の基本的な構成は、発光側光電気変換部１Ａ１と同様であるため、詳細な説明は省略する。なお、発光側光電気変換部１Ａ１と異なる点としては、図７に示すように、マウント基板３の一方面３ａに、受光して光信号を電気信号に変換する受光素子４Ｂと、この受光素子４Ｂから電気信号を受信するためのＩＣ回路５０Ｂが形成されたＩＣ基板５Ｂとが実装されている点である。受光素子４Ｂとしては、ＰＤが採用されており、ＩＣ基板５Ｂは、電流・電圧の変換を行うＴＩＡ（Trans-impedance Amplifier）素子である。また、マウント基板３には、アンプ素子が実装されることもある。

以上説明したような参考例の光電気変換装置１Ａでは、発光素子４Ａまたは受光素子４Ｂが実装されるマウント基板３の一方面３ａにヘッダ６を設けるとともに、内部導波路３１をマウント基板３の一方面３ａと平行な方向に延びるように設けたから、マウント基板３の板厚方向における装置全体の高さを抑えることができ、装置の低背化を図ることができる。

次に、図８〜図１０を参照して、本発明の一実施形態に係る光電気変換装置１Ｂを説明する。この光電気変換装置１Ｂは、参考例の光電気変換装置１Ａを改良したものであるため、参考例と同一構成部分には同一符号を付して、その説明は省略する。また、この光電気変換装置１Ｂにおいても、受光側光電気変換部は発光側光電気変換部と同様であるため、発光側光電気変換部１Ｂ１のみを図示して説明する。

本実施形態の発光側光電気変換部１Ｂ１では、マウント基板３の一方面３ａには、ヘッダ（ヘッダ型電気コネクタ）６のハウジングが一体化されている。

すなわち、図８（ａ）（ｂ）に示すように、マウント基板３の一方面３ａのほぼ四隅部分には、それぞれ複数個（本例では４個づつ）の金属製端子（雄端子）６１を有する四角形状のヘッダ６が一体成形され、各端子６１は、マウント基板３の配線パターン３６（図４参照）にそれぞれ接続されている。

各端子６１は、マウント基板３の成形時に、同時にインサートモールドされることで、マウント基板３にヘッダ６のハウジングが一体成形されるようになる。なお、マウント基板３と同じ素材で同時にインサートモールド、またはマウント基板３と異なる素材で同時にインサートモールドすることができる。

マウント基板３は、参考例では、シリコン製であったが、マウント基板３にヘッダ６を一体成形する本実施形態では、成形性の点からセラミック製、熱可塑性樹脂製、熱硬化性樹脂製のいずれか１つ若しくはそれらの組み合わせであることが好ましい。

セラミックとしては、アルミニウムオキサイド、ジルコニア、窒化アルミ等が有る。

熱可塑性樹脂としては、ポリアミド（ＰＡ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ＡＢＳ樹脂等が有る。

熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ポリウレタン樹脂、メラニン樹脂、フッ素樹脂等が有る。

図９（ａ）（ｂ）に示すように、ソケット７のソケット本体７２には、ヘッダ６の各端子６１と対向する位置に、対応する個数（本例では４個づつ）の金属製端子（雌端子）７１を有している。

なお、ソケット本体７２から左右方向に張り出した端子７１の端部は、ヘッダ６の各端子６１と対向する位置の端子７１と個数が一致していないが（前者は２０個、後者は１６個）、これは、ヘッダ６の各端子６１と対向する位置の端子７１と、ソケット本体７２から左右方向に張り出した端子７１の端部との間で、複数に分岐されることがあるためである。

また、ソケット本体７２の内部では、ヘッダ６の各端子６１と対向する位置の端子７１と、ソケット本体７２から左右方向に張り出した端子７１の端部との間で、電極ピッチを変換しており、ソケット７は、電極ピッチを変換するためのインターポーザ基板としての役割も兼ねるようになる。

そして、図１０に示すように、マウント基板３のヘッダ６の各端子６１が配線基板２のソケット７の端子７１に差し込まれてそれらが嵌合すると、端子６１，７１同士が接触して配線基板２の配線パターンとマウント基板３の配線パターン３６とが電気的に接続されるようになる。

このとき、ヘッダ６の突出高さＨに相当する空間がマウント基板３とソケット７との間に生じ、この空間に発光素子４ＡとＩＣ基板５Ａとが合理的に収納されるようになる。

前記実施形態であれば、マウント基板３に、ヘッダ６のハウジングを一体化したものであるから、ヘッダ６を半田ボール等でマウント基板３の配線パターン３６に接続する必要が無くなるので、位置決め作業や接続作業が不要となって製造工数が簡略化するとともに、接続のためのスペースが不要となって、装置のより低背化が図れるようになる。

また、マウント基板３の配線パターン３６とヘッダ６との間で電極ピッチを変換するためのインターポーザ基板が不要になるので、部品点数が削減できるようになる。

さらに、マウント基板３の配線パターン３６に接続したヘッダ６の端子６１をマウント基板３の成形時に、同時にインサートモールドすることで、マウント基板３にヘッダ６のハウジングを一体化できるので、ヘッダ６のハウジングを容易に一体化できるようになる。

また、マウント基板３をセラミック、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれか１つ若しくはそれらの組み合わせで成形することで、マウント基板３とヘッダ６の射出成形やプレス成形が可能になるとともに、端子６１を簡単にインサートモールドできるようになる。

本実施形態では、光電気変換装置１Ｂとして、発光側光電気変換部１Ｂ１から受光側光電気変換部に光信号が送られる一方向通信型のものを示したが、光電気変換装置１Ｂは、発光側光電気変換部１Ｂ１に受光素子４Ｂを実装するとともに受光側光電気変換部に発光素子４Ａを実装し、かつ、マウント基板３に複数の導波路３１を形成した双方向通信型のものであってもよい。また、光電気変換装置１Ｂは、少なくとも発光側光電気変換部１Ｂ１または受光側光電気変換部の一方を備えていればよい。また、一方向通信型、双方向通信型の両方において、１チャンネルの通信について説明しているが、アレイ形状の受発光素子を実装して、多チャンネル通信であってもよく、外部導波路９も複数の導波路が形成されたものを使用すればよい。

さらに、ヘッダ６は、マウント基板３の一方面３ａに設けられている必要はなく、マウント基板３に貫通電極を設け、他方面３ｃにも配線パターンを形成すれば、発光素子４Ａが実装される一方面３ａと反対側の他方面３ｃに設けることも可能である。また、参考例と同様に、ヘッダ６とソケット７は相互に入れ替え可能である。

参考例の光電気変換装置およびこの光電気変換装置が接続される配線基板の概略構成図である。 参考例の光電気変換装置の発光側光電気変換部を分解した図である。 （ａ）は光素子が実装されたマウント基板の側面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 導波路が設けられる前の状態のマウント基板を下方から見た斜視図である。 （ａ）はマウント基板の下面図、（ｂ）は（ａ）の断面図であり、（ｃ）は変形例のマウント基板の下面図、（ｄ）は（ｃ）の断面図である。 （ａ）はソケット型電気コネクタの斜視図、（ｂ）はヘッダ型電気コネクタの斜視図である。 参考例の光電気変換装置の受光側光電気変換部を分解した図である。 本発明の一実施形態に係る光電気変換装置のヘッダのハウジングを一体化したマウント基板であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は底面図である。 ソケットであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。 本発明の一実施形態に係るマウント基板のヘッダとソケットとを嵌合させた正面図である。

符号の説明

１Ｂ 光電気変換装置
２ 配線基板
３ マウント基板
３ａ 一方面
３ｃ 他方面
３１ 内部導波路
３６ 配線パターン
４Ａ 発光素子
４Ｂ 受光素子
５Ａ，５Ｂ ＩＣ基板
５０Ａ，５０Ｂ ＩＣ回路
６ ヘッダ型電気コネクタ
６１ 端子
７ ソケット型電気コネクタ
７１ 端子
９ 外部導波路

Claims (3)

1. 電気信号を光信号にまたは光信号を電気信号に変換する光素子と、この光素子に電気信号を送信するまたは光素子から電気信号を受信するためのＩＣ回路と、前記光素子とＩＣ回路が一方面に実装されるマウント基板と、この一方面に沿うようにマウント基板に形成された導波路形成用溝内に設けられ、前記マウント基板の端面まで延び、マウント基板の端面で外部導波路と接合される内部導波路と、前記マウント基板の一方面に設けられ、外部コネクタと着脱可能な電気コネクタとを備え、前記マウント基板の一方面に前記電気コネクタのハウジングが一体化されていることを特徴とする光電気変換装置。
2. 前記マウント基板の成形時に、マウント基板の配線パターンに接続された電気コネクタの端子が同時にインサートモールドされることで、ハウジングが一体化されることを特徴とする請求項１に記載の光電気変換装置。
3. 前記マウント基板は、セラミック、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれか１つ若しくはそれらの組み合わせで成形されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光電気変換装置。

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