説明

光電気変換装置

【課題】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。
【解決手段】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4Aと、光素子4Aに電気信号を送信するまたは光素子4Aから電気信号を受信するためのIC回路50Aと、光素子4Aが実装されるマウント基板3と、外部コネクタ7と着脱可能な電気コネクタ6と、光素子4Aと光学的に結合する導波路9とを備え、電気コネクタ6は、マウント基板3の光素子4Aが実装される一方面3aまたはその反対側の他方面3cに設けられ、導波路9は、マウント基板3の一方面3aまたは他方面3cに沿うようにマウント基板3に設けられた光電気変換装置1Bであって、マウント基板3に電気コネクタ6のハウジングが一体化されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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。
【特許文献1】特開2001−42170号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
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。
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【課題を解決するための手段】
【0010】
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、前記光素子が実装されるマウント基板と、外部コネクタと着脱可能な電気コネクタと、前記光素子と光学的に結合する導波路とを備え、前記電気コネクタは、前記マウント基板の前記光素子が実装される一方面またはその反対側の他方面に設けられ、前記導波路は、前記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られた光電気変換装置であって、前記マウント基板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。
【0011】
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。
【0012】
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。
【発明の効果】
【0013】
請求項1の発明によれば、マウント基板に、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。
【0014】
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。
【0015】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【図面の簡単な説明】
【0054】
【図1】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。
【図2】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。
【図3】(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。
【図4】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。
【図5】(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。
【図6】(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。
【図7】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。
【図8】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。
【図9】ソケットであり、(a)は平面図、(b)は正面図である。
【図10】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】
【0055】
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

【特許請求の範囲】
【請求項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、前記光素子が実装されるマウント基板と、外部コネクタと着脱可能な電気コネクタと、前記光素子と光学的に結合する導波路とを備え、前記電気コネクタは、前記マウント基板の前記光素子が実装される一方面またはその反対側の他方面に設けられ、前記導波路は、前記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られた光電気変換装置であって、
前記マウント基板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。
【請求項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。
【請求項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。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【公開番号】特開2008−91472(P2008−91472A)
【公開日】平成20年4月17日(2008.4.17)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−268451(P2006−268451)
【出願日】平成18年9月29日(2006.9.29)
【出願人】(000005832)松下電工株式会社 (17,916)
【Fターム(参考)】