JP5059715B2 - 光学接続構造 - Google Patents

Description

本発明は、光学接続構造に関するものである。

従来より、基板上で光機能部品を接続するために光伝送媒体を有する光学接続構造が用いられている。光学接続構造には、フェルールに光伝送媒体である光ファイバを装着して基板に沿って受発光素子等の光機能部品に突き合わせるといった基板と平行方向に接続するものと、基板に対し垂直方向に開口された接続点を持つ光機能部品に光ファイバの先端を斜めに切断するか屈曲させて接触させるといった基板と垂直方向に接続するものとがある。

基板と平行方向に接続する光学接続構造では、一般的にハウジングやフェルールを備えた光コネクタ等が使用され、位置合わせをして突き合わせることにより安定して接続を行うことができる。しかしながら、ハウジングやフェルールが基板上で大きなスペースを占有してしまうという問題点があった。

また、基板と垂直方向に接続する光学接続構造では、光ファイバを折り曲げて光ファイバの断面を光機能部品に突き当てることが必要になるなど、接続が困難であり、この際の光ファイバの有効な位置合わせ方法がなかった。そのため、安定して接続を行うことが難しく、例えば光機能部品と光ファイバとの接触の際に、本来の接続位置から外れてしまったり、光機能部品を破損させる恐れがあった。さらに、位置合わせが完了し、正確に接続ができた場合でも、光ファイバが垂直方向に曲げられているため、光ファイバ自身の復元力によって、光ファイバが固定位置から浮いてしまう傾向があり、問題となっていた。

光ファイバを基板に垂直に接続させるために、レンズ等の反射層を用いて、光ファイバ断面と光機能部品を非接触で光学接続させることも可能であるが、部品点数が多くなり、反射層と光機能部品、光伝送媒体との位置合わせで接続にかかる時間も長くなり、高コストになる問題点があった（例えば、特許文献１参照。）。

特開平９−０２６５１５号公報

本発明は、以上のような問題点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、基板上で大きなスペースを占有することなく、光伝送媒体の端部の位置合わせが容易で、接続及び接続解除を自在にでき、接続完了後は光伝送媒体が浮き上がることなく固定することができる光学接続構造を提供することにある。

本発明の光学接続構造は、少なくとも先端屈曲光ファイバと、支持基板と、受発光素子と、支持基板と受発光素子を支持する基板と、光ファイバ位置合わせ溝または貫通孔を有する光ファイバ位置合わせ部材とからなり、基板上に、支持基板および受発光素子が固定され、支持基板上に、光ファイバ位置合わせ部材が固定され、先端屈曲光ファイバは、位置合わせ溝に装着されるかまたは貫通孔を貫通し、先端屈曲光ファイバの先端部が受発光素子の受発光部に位置合わせされ固定されていることを第１の特徴としている。

上記光学接続構造は、さらに光ファイバ固定部材を備え、先端屈曲光ファイバは、光ファイバ固定部材に固定され、光ファイバ固定部材を支持基板に装着固定させることで、先端屈曲光ファイバが前記光ファイバ位置合わせ部材の位置合わせ溝に上部から装着されるかまたは貫通孔を貫通し、先端屈曲光ファイバの先端部が受発光素子の受発光部に位置合わせされ固定されていることを第２の特徴としている。

本発明の他の光学接続構造においては、光ファイバ位置合わせ部材は、支持基板に平行方向に支持基板からせり出し、光ファイバ位置合わせ部材のせり出した面に先端屈曲光ファイバの先端部の光軸方向に形成された光ファイバ位置合わせ溝または貫通孔を有し、先端屈曲光ファイバが光ファイバ位置合わせ部材の位置合わせ溝に上部から装着されるかまたは貫通孔を貫通し、先端屈曲光ファイバの先端部が受発光素子の受発光部に位置合わせされ固定されていることを特徴としている。

本発明の他の光学接続構造においては、光ファイバ固定部材は、さらに前頭部に突き当て部材を有し、先端屈曲光ファイバの屈曲部分が突き当て部材に当接して曲げられ、先端屈曲光ファイバの先端部が受発光素子の受発光部に位置合わせされ固定されていることを特徴としている。

本発明の光学接続構造においては、先端屈曲光ファイバの先端部と受発光素子の受発光部が屈折率整合部材によって接続されていることを好ましい態様としている。

また、本発明の光学接続構造においては、先端屈曲光ファイバは、光ファイバ材料を塑性変形させて屈曲させ作製されたこと、先端屈曲光ファイバの屈曲角が９０°であること、先端屈曲光ファイバ屈曲部の曲率半径が０．３〜３．０ｍｍであることを好ましい態様としている。

さらに、受発光素子の駆動用ＩＣチップが、基板に固定され、受発光素子に電気的に接続されていること、受発光素子と受発光素子駆動用ＩＣチップが予備基板上に実装され、基板上に電気的に接続されていることを好ましい態様としている。

本発明の光学接続構造によれば、光ファイバが垂直に曲げられて発光素子および受光素子に向けて位置合わせされているので、基板上で大きなスペースを占有することがなく、光学接続構造の小型化を図ることができる。

また、光ファイバの位置合わせ溝または貫通孔に光ファイバが固定されているので、光ファイバが基板から遊離することを抑制することができる。そのため、光ファイバの接続による基板上の設計への影響が少なく、基板上の設計をより自由に行うことが可能となり、また、光ファイバと受発光素子の位置合わせの簡素化および位置合わせ精度の向上を図ることができる。

さらに、光ファイバの端部の位置合わせが容易で、接続及び接続解除を自在にできるため、光ファイバの接続を安全かつ確実に行うことができるなど、光ファイバ取り付け作業性の向上を図ることができる。

第１実施形態
次に、図面を用いて本発明の光学接続構造の実施形態について具体的に説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の光学接続構造の第１の実施形態を示した図である。本実施形態の光学接続構造においては、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、基板１上には、受発光素子２が、基板１の垂直方向に光軸が向くように実装されている。また、基板１上には、光ファイバ５を固定するための支持基板３が固定されている。さらに、支持基板３上には、光ファイバ５の位置合わせ部材４が固定されている。

図１（ｃ）に示すように、位置合わせ部材４の上面（基板１との平行面）には断面Ｖ字状の溝が形成されており、被覆部分を剥離された光ファイバ５の基板１との平行部分がこの溝に嵌合し、位置合わせされている。さらに、光ファイバ５は、予め先端部分が所望の角度に屈曲させられ、先端屈曲光ファイバ５の先端は、受発光素子２と光軸が合うように位置合わせされ、対向させられている。

この形態によれば、位置合わせ部材４が予め受発光素子２に対して位置合わせされて固定され、その上で先端屈曲光ファイバ５が位置合わせ部材４に形成された溝部に嵌合するので、光ファイバ５を受発光素子２の受発光部に対して位置合わせを行うに際し、微調整を要せずに容易に位置合わせを行うことができる。また、位置合わせ後、光ファイバ５が受発光素子２の受発光部から遊離しないように固定するという効果が得られる。

第２実施形態
図２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の光学接続構造の第２の実施形態を示した図である。本実施形態の光学接続構造においては、第１実施形態と同様、基板１上には、受発光素子２が、基板１の垂直方向に光軸が向くように実装されている。また、基板１上には、光ファイバ５を固定するための支持基板３が固定されており、支持基板３上には、光ファイバ５の位置合わせ部材４が固定されている。さらに、位置合わせ部材４の上面には断面Ｖ字状の溝が形成されている。

第２実施形態においては、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、先端屈曲光ファイバ５は、光ファイバ固定部材６および７によって収納され、周囲を取り囲むように固定されている。そのため、光ファイバ５を支持基板３および位置合わせ部材４の上面の溝に取り付ける際には、光ファイバ５を個別に取り付ける必要はなく、光ファイバ固定部材６および７ごと装着するだけで全ての光ファイバ５を一度に位置合わせ部材４の溝に嵌合させることができるので、光学接続構造の接続および解除をより容易に行うことができる。

第３実施形態
図３（ａ）〜（ｃ）は、本発明の光学接続構造の第３の実施形態を示した図である。本実施形態の光学接続構造においては、第１実施形態と同様、基板１上には、受発光素子２が、基板１の垂直方向に光軸が向くように実装されている。また、基板１上には、光ファイバ５を固定するための支持基板３が固定されており、支持基板３上には、光ファイバ５の位置合わせ部材４１が固定されている。

第３実施形態においては、図３（ｂ）に示すように、位置合わせ部材４１の前頭部は支持基板３上から受発光素子２方向へ突出している。また、図３（ａ）および（ｃ）に示すように、該突出部分に、先端屈曲光ファイバ５の先端部の光軸方向（基板１の垂直方向）に延在する貫通孔が形成されており、これら貫通孔が受発光素子２の光軸方向に位置合わせされた状態で位置合わせ部材４１が固定されている。さらに、第２実施形態と同様に、先端屈曲光ファイバ５は、光ファイバ固定部材６および７によって収納され、周囲を取り囲むように固定されている。

これら光ファイバ５および光ファイバ固定部材６および７を支持基板３上に接続することで、光ファイバ５先端の屈曲部は、位置合わせ部材４１の貫通孔に嵌合して、受発光素子２の受発光部と位置合わせされる。このように、位置合わせ部材４１の基板１の垂直方向に延在する貫通孔によって、光ファイバ５は、より正確に受発光素子２に対して位置合わせをすることができる。なお、貫通孔に代えて断面Ｖ字状の溝等を設けることもできる。

第４実施形態
図４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の光学接続構造の第４の実施形態を示した図である。本実施形態の光学接続構造においては、第１実施形態と同様、基板１上には、受発光素子２が、基板１の垂直方向に光軸が向くように実装されている。また、基板１上には、光ファイバ５を固定するための支持基板３が固定されており、支持基板３上には、光ファイバ５の位置合わせ部材４１が固定されている。

第３実施形態と同様、位置合わせ部材４１の前頭部は支持基板３上から受発光素子２方向へ突出しており、該突出部分に、先端屈曲光ファイバ５の先端部の光軸方向（基板１の垂直方向）に延在する断面Ｖ字状の溝が形成されており、これら溝が受発光素子２の光軸方向に位置合わせされた状態で位置合わせ部材４１が固定されている。さらに、第２実施形態と同様に、先端屈曲光ファイバ５は、光ファイバ固定部材６および７によって収納され、周囲を取り囲むように固定されている。

第４実施形態においては、光ファイバ固定部材７の前頭部に、突き当て部材８が設けられている。図４（ｂ）に示すように、光ファイバ５先端の屈曲部分は、この突き当て部材８に突き当てられ、光ファイバ５の屈曲状態を保持している。

これら光ファイバ５、光ファイバ固定部材６、７および突き当て部材８を支持基板３上に接続することで、光ファイバ５先端の屈曲部は、突き当て部材８によって押圧されながら、位置合わせ部材４１の溝に嵌合して、受発光素子２の受発光部と位置合わせされる。このように、位置合わせ部材４１の基板１の垂直方向に延在する溝と突き当て部材８によって、光ファイバ５は両側から挟持されるので、より正確に受発光素子２に対して位置合わせをすることができる。

接続例
次に、図５（ａ）および（ｂ）を参照して本発明の光学接続構造の接続例を説明する。図５（ａ）は、受発光素子２と、受発光素子駆動用ＩＣチップ２２の接続を示す模式図である。受発光素子２およびその電極（アース）２１は、受発光素子駆動用ＩＣチップ２２と電気的に接続され、いずれも予備基板１１上に固定されている。

図５（ｂ）は、第４実施形態の光学接続構造との接続例を示す模式図であるが、受発光素子２、電極２１および予備基板１１は、光学接続構造の支持基板３によって位置合わせされ、上記の実施形態の項目で説明したように、光ファイバ５が受発光素子２に対して位置合わせされて固定されている。なお、予備基板１１を介さず、電極２１および受発光素子駆動用ＩＣチップ２２が直接基板１に固定されていてもよい。

共通の構成要素
本発明における基板１は、基板に対して垂直方向に光軸が向くように受発光素子２が実装されていることが必須であるが、その他は、電子部品等を実装した一般公知のプリント基板である。

本発明における光ファイバ５は、受発光素子２と接続する端部近傍において、端部を約９０度折り曲げる構成、その曲率半径を０．３〜３．０ｍｍとする構成が省スペースの観点から好ましい。光ファイバ５が石英ファイバである場合には、塑性変形させて屈曲したファイバとすることが好ましい。

塑性変形させる方法としては、熱加工で行うのが好ましい。熱加工の熱源としては、アルミナヒーター、炭化珪素ヒーター、窒化珪素ヒーター等のセラミックヒーターを含む電気ヒーター、ガスバーナー等の火炎、アーク放電等の放電熱、光吸収による輻射熱等から、光ファイバ種により適宜選択して使用される。

さらに、本発明における光ファイバ５は、コーナーに反射性を付与するために、折り曲げ部分の角を平坦に研磨してもよく、さらには、折り曲げ部分を平坦に研磨して金属等の反射材を設けてもよい。また、本発明における光ファイバ５は、単心の光ファイバに限られず、光ファイバを複数本テープ化したテープ心線等でもよく、一度に接続される光ファイバの数量に制限はない。このような光ファイバとしては、プラスチックファイバ等を好適に用いることができるが、これは、簡単に加工できる光ファイバの一例であり、その材料は限定されない。また、光ファイバとして、光導波路を用いることができ、その形状および材質は、適宜選択して使用することができる。さらに、光ファイバにおける屈折率分布は、ステップ分布やグレーテッド分布等、使用目的により適宜選択することができる。

本発明における位置合わせ部材４および４１において、基板１との平行面および／または垂直面に形成する光ファイバの位置合わせ用溝は、上記の実施形態の説明ではその一例として断面Ｖ字状であると説明したが、本発明はＶ字状のみに限定されず、Ｕ字状やコ字状といった、光ファイバを嵌合させられる任意の形状とすることができる。また、溝に代えて貫通孔を形成し、この貫通孔に光ファイバを貫通させて位置合わせを行うこともできる。

本発明における光ファイバ固定部材６および７は、光ファイバ５を固定することができるものであれば、材質、形状等については特に限定されない。また、本発明においては、光ファイバとして、樹脂フィルム等により複数本の光ファイバを束ねた光ファイバ束を用いた場合には、この樹脂フィルムを固定部材として用いることもできる。

本発明における突き当て部材８は、光ファイバ５の端部を受発光素子２に向けて位置合わせし、光ファイバの光軸と受発光素子の光軸とを位置合わせする部材である。本発明における突き当て部材としては、図４および５に示すように、単に部材表面を光ファイバに当接させるものでもよいが、光ファイバを嵌合させることのできる溝が形成された構造や、光ファイバを挿入できる貫通孔を有する構造など、光ファイバを折り曲げて固定できる構造であれば特に限定されない。このような構成によれば、光ファイバの端部の位置合わせが容易で、接続及び接続解除を自在にできるため、光ファイバの接続を安全かつ確実に行うことができる。

光ファイバ固定部材６、７および突き当て部材８は、図に示すようにそれぞれ別々の部材として設けることもできるが、これらが一体となった構成のものとすることもできる。なお、上記の光ファイバ固定部材及び突き当て部材の形状は、好適な一実施形態にすぎず、本発明を限定するものではない。

本発明における基板、支持基板、光ファイバ固定部材及び突き当て部材に用いられる材料は、接続される光ファイバの材料や、要求される強度や位置合わせ精度により適宜選択されるが、特に熱的寸法変化が小さいプラスチック、セラミック、金属等で作製されたものが好ましく使用される。プラスチック材料としては、ガラス混入エポキシ材料、ＰＰＳ（ポリフェニルサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の結晶性高分子が好ましく使用される。

本発明における光学接続構造は、受発光素子、および光ファイバのレイアウトによっては、上下逆転して使用することも可能であり、基板の設置方向は特に限定されない。

さらに、本発明においては、光ファイバ５と受発光素子２との間に、屈折率整合材を挿入して両者を接続することができる。この屈折率整合材としては、本発明の光学接続構造が用いられる環境条件や製造プロセス等に合わせて適宜選択されたものを使用することができる。なお、屈折率整合材は、液状でも固体状でも良く、例えばオイル状、グリス状、ジェル状、フィルム状でもよい。

［参考例］
以下に説明するようにして、図１の光学接続構造を作製した。光ファイバは、４心テープ心線（コア：グレーデッドインデックス５０ミクロン、石英マルチモード光ファイバ、住友電工社製）を使用した。受発光素子としては、マルチモード１×４ＶＣＳＥＬアレイ（Ｏｐｔｏｗｅｌｌ社製、波長８５０ｎｍ）を使用した。光ファイバは、ガスバーナーを使用して、曲率半径１ｍｍで屈曲させた。位置合わせ部材に設けられたＶ溝は、Ｖ字角度６０°、光ファイバ側面突出量（Ｖ溝に光ファイバを嵌合させた場合のＶ溝上端からの光ファイバ突出長さ）５ミクロンで作製した。なお、Ｖ溝はＰＰＳ（ポリフェニルサルファイド）を切削加工して作製した。同様にして合計５組作製した結果、接続損失は各光ファイバ平均３．５ｄＢであり、接続毎のばらつきは平均０．５ｄＢであった。

［実施例１］
光ファイバ固定部材の材質をＰＰＳとし、その他は参考例と同様にして、図２の光学接続構造を作製した。同様にして合計５組作製した結果、接続損失は各光ファイバ平均３．７ｄＢであり、接続毎のばらつきは平均０．６ｄＢであった。

［実施例２］
参考例と同様にして、図３の光学接続構造を作製した。同様にして合計５組作製した結果、接続損失は各光ファイバ平均３．２ｄＢであり、接続毎のばらつきは平均０．３ｄＢであった。

［実施例３］
光ファイバ固定部材および突き当て部材の材質をＰＰＳ（ポリフェニルサルファイド）とし、その他は参考例と同様にして、図４の光学接続構造を作製した。同様にして合計５組作製した結果、接続損失は各光ファイバ平均３．０ｄＢであり、接続毎のばらつきは平均０．２ｄＢであった。

［比較例］
図１の支持基板に位置合わせ部材を設けずに、目視で光ファイバの位置合わせを行った。５回位置合わせを行った結果、接続損失は各光ファイバ平均３．９ｄＢであり、接続毎のばらつきは平均０．９ｄＢであった。

光学接続構造において、光ファイバと受発光素子を精度良く接続すると共に、省スペース化、接続および接続解除の簡素化を図ることができる。

本発明の光学接続構造の第１の実施形態であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。 本発明の光学接続構造の第２の実施形態であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。 本発明の光学接続構造の第３の実施形態であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。 本発明の光学接続構造の第４の実施形態であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は正面図である。 本発明の光学接続構造による位置合わせの例を示した側面図である。

符号の説明

１…基板、１１…予備基板、２…受発光素子、２１…受発光素子電極、２２…受発光素子駆動用ＩＣチップ、３…支持基板、４、４１…位置合わせ部材、５…光ファイバ、６、７…光ファイバ固定部材、８…突き当て部材。

Claims (9)

1. 少なくとも予め先端部分が屈曲させられた先端屈曲光ファイバと、光ファイバ固定部材と、支持基板と、受発光素子と、上記支持基板と上記受発光素子を支持する基板と、光ファイバ位置合わせ溝または貫通孔を有する光ファイバ位置合わせ部材とからなり、
   上記基板上に、上記支持基板および上記受発光素子が固定され、上記支持基板上に、上記光ファイバ位置合わせ部材が固定され、上記予め先端部分が屈曲させられた先端屈曲光ファイバは、上記光ファイバ固定部材に固定され、上記光ファイバ固定部材を上記支持基板に装着固定させることで、上記予め先端部分が屈曲させられた先端屈曲光ファイバが、上記位置合わせ溝に上部から装着されるかまたは貫通孔を貫通し、上記予め先端部分が屈曲させられた先端屈曲光ファイバの先端部が上記受発光素子の受発光部に位置合わせされ固定されていることを特徴とする光学接続構造。
2. 前記光ファイバ位置合わせ部材は、前記支持基板に平行方向に支持基板からせり出し、上記光ファイバ位置合わせ部材のせり出した面に前記先端屈曲光ファイバの先端部の光軸方向に形成された光ファイバ位置合わせ溝または貫通孔を有し、上記先端屈曲光ファイバが前記光ファイバ位置合わせ部材の位置合わせ溝に上部から装着されるかまたは貫通孔を貫通し、上記先端屈曲光ファイバの先端部が上記受発光素子の受発光部に位置合わせされ固定されていることを特徴とする請求項１に記載の光学接続構造。
3. 前記光ファイバ固定部材は、さらに前頭部に突き当て部材を有し、
   前記先端屈曲光ファイバの屈曲部分が上記突き当て部材に当接して曲げられ、上記先端屈曲光ファイバの先端部が上記受発光素子の受発光部に位置合わせされ固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光学接続構造。
4. 前記先端屈曲光ファイバの先端部と前記受発光素子の受発光部が屈折率整合部材によって接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学接続構造。
5. 前記先端屈曲光ファイバは、光ファイバ材料を塑性変形させて屈曲させ、作製されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光学接続構造。
6. 前記先端屈曲光ファイバの屈曲角が９０°であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学接続構造。
7. 前記先端屈曲光ファイバ屈曲部の曲率半径が０．３〜３．０ｍｍであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光学接続構造。
8. 前記受発光素子の駆動用ＩＣチップが、前記基板に固定され、上記受発光素子に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光学接続構造。
9. 前記受発光素子と受発光素子駆動用ＩＣチップが予備基板上に実装され、前記基板上に電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光学接続構造。
   

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