特許 7421316 光モジュール

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-16

(45)【発行日】2024-01-24

(54)【発明の名称】光モジュール

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/42 20060101AFI20240117BHJP

   G02B 6/32 20060101ALI20240117BHJP

   H01L 33/48 20100101ALI20240117BHJP

   H01L 33/00 20100101ALI20240117BHJP

   H01L 31/02 20060101ALI20240117BHJP

   H01L 31/0232 20140101ALI20240117BHJP

【ＦＩ】

G02B6/42

G02B6/32

H01L33/48

H01L33/00 L

H01L31/02 B

H01L31/02 C

H01L31/02 D

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019212173

(22)【出願日】2019-11-25

(65)【公開番号】P2021085903

(43)【公開日】2021-06-03

【審査請求日】2022-10-17

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３１年度、総務省、電波資源拡大のための研究開発、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000006895

【氏名又は名称】矢崎総業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】安田 裕紀

(72)【発明者】

【氏名】若林 知敬

【審査官】山本 元彦

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－００１６８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－０１８０３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２２８４３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２２４８５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０６－１６９１９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０３５４８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００７／０１４０６２４（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／２６－６／２７

Ｇ０２Ｂ ６／３０－６／３４

Ｇ０２Ｂ ６／４２－６／４３

Ｈ０１Ｌ ３１／００－３１／０３９２

Ｈ０１Ｌ ３１／０８－３１／１１９

Ｈ０１Ｌ ３３／４８－３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光電変換素子が実装された基板と、
前記基板に固定され、前記光電変換素子を内部空間に収容する光ハウジングとを備え、
前記光ハウジングは、光透過性の樹脂部材と導電性の金属部材が一体に設けられており、
前記樹脂部材は、前記光電変換素子に対向配置するレンズと、前記レンズを通る光信号の光路を形成する導光部とを有し、
前記金属部材は、前記内部空間を囲む遮蔽プレート部と、前記基板に固定する端子部とを有し、
前記遮蔽プレート部は、
前記光路を確保して前記内部空間の上方面を覆う上面プレート部と、
前記上面プレート部より前記基板に向けて垂下され、前記内部空間の側方面を覆う側面プレート部と、を有し、
前記遮蔽プレート部の全体が前記樹脂部材内に埋設されている、光モジュール。

【請求項2】

前記樹脂部材は、光ファイバの端末部を固定するスリーブを有する請求項１に記載の光モジュール。

【請求項3】

前記樹脂部材は、前記導光部に光信号を反射するミラーを有する請求項１又は２に記載の光モジュール。

【請求項4】

前記基板には位置決め孔が設けられ、
前記金属部材には、前記位置決め孔に挿入される位置決めピンが設けられている請求項１から３のいずれか一項に記載の光モジュール。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光ファイバと光電変換素子を光学的に結合する光モジュールに関する。

【背景技術】

【0002】

従来例の光モジュールは、特許文献１に示されている。この光モジュール１００は、図１６に示すように、光電変換素子１０２が実装された基板１１０と、基板１１０に固定され、光電変換素子１０２を内部空間１２１に収容する光ハウジング１２０とを備えている。

【0003】

光ハウジング１２０は、光透過性の樹脂部材によって形成されている。光ハウジング１２０は、光電変換素子１０２に対向配置するレンズ１２２と、レンズ１２２を通る光信号の光路を形成する導光部１２３と、導光部１２３の光路の他端側に設けられたスリーブ１２４とを有する。光ハウジング１２０は、樹脂部材であるため、接着剤によって基板１１０に固定される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００４－３５４４５２号公報

【文献】特開２００７－１７１４２７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、前記従来例の光モジュール１００では、光ハウジング１２０が基板１１０に接着剤によって固定されるため、高温、高湿などの環境で使用されると、接着剤の劣化による剥がれ、温度変化時の膨張・収縮によって光ハウジング１２０が基板１１０に対し変位する虞れがある。つまり、光ハウジング１２０の基板１１０への接続信頼性が劣るという問題があった。

【0006】

本発明は、このような従来技術が有する課題に鑑みてなされたものである。そして本発明の目的は、光ハウジングの基板への接続信頼性が高い光モジュールを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の態様に係る光モジュールは、光電変換素子が実装された基板と、前記基板に固定され、前記光電変換素子を内部空間に収容する光ハウジングとを備え、前記光ハウジングは、光透過性の樹脂部材と導電性の金属部材が一体に設けられており、前記樹脂部材は、前記光電変換素子に対向配置するレンズと、前記レンズを通る光信号の光路を形成する導光部とを有し、前記金属部材は、前記内部空間を囲む遮蔽プレート部と、前記基板に固定する端子部とを有し、前記光ハウジングは、前記金属部材の少なくとも一部が前記樹脂部材内に埋設されている。

【0008】

前記光ハウジングは、前記金属部材の前記内部空間を囲む箇所が前記樹脂部材内に埋設し、前記内部空間側の表面が前記樹脂部材で覆われていることが好ましい。

【0009】

前記樹脂部材は、光ファイバの端末部を固定するスリーブを有するものを含む。

【0010】

前記樹脂部材は、前記導光部に光信号を反射するミラーを有するものを含む。

【0011】

前記光電変換素子は、複数個が前記基板に実装され、前記金属部材は、複数の前記光電変換素子の間を仕切る仕切りプレート部を有することが好ましい。

【0012】

前記基板には位置決め孔が設けられ、前記金属部材には、前記位置決め孔に挿入される位置決めピンが設けられていることが好ましい。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、光ハウジングの基板への接続信頼性が高い光モジュールを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】第１実施形態を示し、光モジュールの平面図である。

【図2】第１実施形態を示し、図１のＩＩーＩＩ線断面図である。

【図3】第１実施形態を示し、（ａ）は光ハウジングの平面図、（ｂ）は金属部材の平面図である。

【図4】第１実施形態を示し、（ａ）は図３（ａ）のＩＶａーＩＶａ線断面図、（ｂ）は図３（ｂ）のＩＶｂーＩＶｂ線断面図である。

【図5】第１実施形態の第１変形例を示し、光モジュールの断面図である。

【図6】第１実施形態の第２変形例を示し、光モジュールの平面図である。

【図7】第１実施形態の第２変形例を示し、図６のＶＩＩーＶＩＩ線断面図である。

【図8】第１実施形態の第３変形例を示し、光モジュールの断面図である。

【図9】第２実施形態を示し、光モジュールの平面図である。

【図10】第２実施形態を示し、（ａ）は図９のＸａーＸａ線断面図、（ｂ）は図９のＸｂーＸｂ線断面図である。

【図11】第２実施形態を示し、（ａ）は光ハウジングの平面図、（ｂ）は金属部材の平面図、（ｃ）は（ｂ）のＤ矢視図である。

【図12】第２実施形態を示し、（ａ）は図１１（ａ）のＸＩＩａ－ＸＩＩａ線断面図、（ｂ）は図１１（ｂ）のＸＩＩｂ－ＸＩＩｂ線断面図である。

【図13】第２実施形態の第１変形例を示し、光モジュールの平面図である。

【図14】第２実施形態の第１変形例を示し、図１３のＸＩＶ－ＸＩＶ線断面図である。

【図15】第２実施形態の第２変形例を示し、光モジュールの断面図である。

【図16】従来例を示し、光モジュールの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を用いて実施形態に係る光モジュールを詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率と異なる場合がある。

【0016】

（第１実施形態）
第１実施形態に係る光モジュール１は、図１～図４に示すように、光電変換素子２及びドライブ回路部３が実装された基板１０と、基板１０に固定され、光電変換素子２を内部空間２１に収容する光ハウジング２０とを備えている。

【0017】

光電変換素子２は、受光素子又は発光素子又は受発光素子である。ドライブ回路部３は、光電変換素子２を駆動するための駆動ＩＣ、増幅器、ＴＩＡ（Transimpedance Amplifier）等である。

【0018】

基板１０は、平板状の基材１１と、基材１１の上面に配置された導電性材料の配線パターン１２，１３とを有する。配線パターン１２，１３は、アース用の配線パターン１２と信号用の配線パターン１３である。

【0019】

光ハウジング２０は、光透過性の樹脂部材２２と導電性の金属部材３０が一体に設けられている。樹脂部材２２と金属部材３０は、互いに接する面同士が密着している。光ハウジング２０は、金属部材３０をインサート材としてインサート樹脂成形によって成型されている。

【0020】

樹脂部材２２は、光損失が小さく、使用環境下での機械的特性を保持できるものが使用されている。樹脂部材２２は、光電変換素子２に対向配置するレンズ２３と、レンズ２３を通る光信号の光路Ｃ（図２、図４（ａ）に示す）を形成する導光部２４と、導光部２４の光路の他端側に設けられたスリーブ２５とを有する。レンズ２３は、凸レンズであり、内部空間２１が形成された内面に形成されている。導光部２４は、レンズ２３とスリーブ２５との間の樹脂部分で形成されている。導光部２４の光路Ｃ（図２、図４（ａ）に示す）は、レンズ２３の光軸に沿う直線経路である。

【0021】

スリーブ２５は、上方に突出する円筒状である。円筒状の内部がフェルール嵌合孔２６に形成されている。フェルール嵌合孔２６には、光ファイバ（図示せず）の端部に固定されたフェルール（図示せず）が嵌合される。

【0022】

金属部材３０は、ステンレス（ＳＵＳ）、アルミニウム材、銅材等である。金属部材３０は、内部空間２１を囲む遮蔽プレート部３１と、基板１０に固定する端子部３５とを有する。金属部材３０は、少なくとも一部が樹脂部材２２内に埋設している。この第１実施形態では、端子部３５を除き、遮蔽プレート部３１の全ての箇所が樹脂部材２２に埋設され、内部空間２１側の表面が樹脂部材２２でほぼ完全に覆われている。

【0023】

遮蔽プレート部３１は、内部空間２１の上方面を覆う位置に配置され、四角形状の上面プレート部３２と、内部空間２１の４つの側方面を覆う位置に配置され、上面プレート部３２の各辺より垂下された４つの側面プレート部３３とを有する。

【0024】

上面プレート部３２の中央には、光透過孔３２ａが設けられている。光透過孔３２ａの内部には、樹脂部材２２が充填されている。これにより、導光部２４における光路Ｃが確保されている。

【0025】

各端子部３５は、４つの側面プレート部３３の下端よりそれぞれ外側の水平方向に向かって延設されている。端子部３５は、計５箇所に設けられている。各端子部３５は、上記したように樹脂部材２２より露出されている。各端子部３５は、基板１０のアース用の配線パターン１２上に載置され、半田付けされている。これにより、金属部材３０は、アース接続されている。

【0026】

上記構成によれば、光電変換素子２から射出された光信号は、レンズ２３を通って導光部２４を進み、フェルール（図示せず）を通って光ファイバ（図示せず）に伝送される。又、光ファイバ（図示せず）よりフェルール（図示せず）を通って射出された光は、導光部２４を進んでレンズ２３で収束光とされて光電変換素子２で集光される。このようにして光ハウジング２０は、光ファイバ（図示せず）と光電変換素子２の間を光学的に結合する。

【0027】

以上説明したように、第１実施形態に係る光ハウジング２０は、光電変換素子２が実装された基板１０と、基板１０に固定され、光電変換素子２を内部空間２１に収容する光ハウジング２０とを備えている。そして、光ハウジング２０は、光透過性の樹脂部材２２と導電性の金属部材３０が一体に設けられており、樹脂部材２２は、光電変換素子２に対向配置するレンズ２３と、レンズ２３を通る光信号の光路Ｃを形成する導光部２４とを有する。その上、金属部材３０は、内部空間２１を囲む遮蔽プレート部３１と、基板１０に固定する端子部３５とを有し、光ハウジング２０は、金属部材３０の少なくとも一部が樹脂部材２２内に埋設している。

【0028】

従って、光ハウジング２０は、基板１０に金属部材３０で固定するため、接着剤よりも使用環境での信頼性が高い固定手段での固定が可能であり、耐環境性が高く、振動にも強く、機械的信頼性が向上する。光ハウジング２０は、金属部材３０の少なくとも一部が樹脂部材２２内に埋設しているため、金属部材３０の埋設箇所では樹脂部材２２との線膨張差が全方向から抑制されて線膨張差による剥離が抑制され、耐環境性が高く、振動にも強く、機械的信頼性が向上する。以上より、光ハウジング２０の基板１０への接続信頼性が高い光モジュール１を提供できる。

【0029】

また、光ハウジング２０は、樹脂部材２２と樹脂部材２２よりも機械的強度が強い金属部材３０との一体構造体であるため、このような構造からも耐環境性が高く、振動にも強く、機械的信頼性が高い。

【0030】

光電変換素子２は、導電性の金属部材３０で周囲が覆われるため、外部から光ハウジング２０を通って光電変換素子２に及ぼす電磁ノイズの悪影響、光電変換素子２から光ハウジング２０を通って外部に及ぼす電磁ノイズの悪影響を低減できる。ドライブ回路部３についても同様に電磁ノイズにより悪影響を低減できる。

【0031】

第１実施形態では、光ハウジング２０は、金属部材３０の内部空間２１を囲む箇所が樹脂部材２２内に埋設し、内部空間２１側の表面が樹脂部材２２で覆われている。

【0032】

従って、金属部材３０の内部空間２１を覆う部位である遮蔽プレート部３１は、樹脂部材２２との線膨張差が全方向から抑制されることから線膨張差による剥離が抑制され、機械的信頼性が更に向上する。

【0033】

樹脂部材２２は、導光部２４と一体に、光ファイバ（図示せず）の端末部を固定するスリーブ２５を有する。従って、光ファイバ（図示せず）をフェルール（図示せず）によって接続できる。

【0034】

（第１実施形態の第１変形例）
第１実施形態の第１変形例に係る光モジュール１は、図５に示されている。図５に示すように、基板１０には、複数の位置決め孔１４が設けられている。金属部材３０には、各位置決め孔１４に挿入される複数の位置決めピン３６が設けられている。

【0035】

他の構成は、前記第１実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。図面の同一箇所には同一符号を付して明確化を図る。

【0036】

この第１実施形態の第１変形例に係る光モジュール１では、光ハウジング２０が基板１０の適正な位置に位置決めされるため、基板１０に実装された光電変換素子２と光ハウジング２０のレンズ２３との位置決めを容易に、且つ、正確に行うことができる。また、パッシブアライメントでの実装が可能となるため、低コスト化できる。

【0037】

（第１実施形態の第２変形例）
第１実施形態の第２変形例に係る光モジュール１は、図６、図７に示されている。図６、図７に示すように、光電変換素子２は、２個が基板１０に実装されている。光ハウジング２０の金属部材３０は、２個の光電変換素子２の間を仕切る仕切りプレート部３７を有する。

【0038】

他の構成は、前記第１実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。図面の同一箇所には同一符号を付して明確化を図る。

【0039】

この第１実施形態の第２変形例に係る光モジュール１では、仕切りプレート部３７によって２個の光電変換素子２間のクロストークを低減できる。

【0040】

第１実施形態の第２変形例では、光電変換素子２が２個であるが、３個以上の光電変換素子２を配置する場合には各光電変換素子２をそれぞれ仕切るように仕切りプレート部３７を配置する。

【0041】

（第１実施形態の第３変形例）
第１実施形態の第３変形例に係る光モジュール１は、図８に示されている。図８に示すように、金属部材３０の上面プレート部３２は、前記第１実施形態と同様に樹脂部材２２に埋設されているが、４つの側面プレート部３３は前記第１実施形態と異なり、樹脂部材２２内に埋設されていない。４つの側面プレートは、その一面のみが樹脂部材２２の外面に当接した状態で外部に露出されている。

【0042】

他の構成は、前記第１実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。図面の同一箇所には同一符号を付して明確化を図る。

【0043】

この第１実施形態の第３変形例に係る光モジュール１では、金属部材３０の上面プレート部３２が樹脂部材２２内に埋設しているため、金属部材３０の埋設箇所である上面プレート部３２では樹脂部材２２との線膨張差が全方向から抑制されることから線膨張差による剥離が抑制され、機械的信頼性が向上する。

【0044】

（第２実施形態）
第２実施形態に係る光モジュール１は、図９～図１２に示されている。第２実施形態に係る光モジュール１は、前記第１実施形態と比較するに、光ハウジング２０の構成が相違する。

【0045】

光ハウジング２０は、第１実施形態と同様に、光透過性の樹脂部材２２と導電性の金属部材３０が一体に設けられているが、樹脂部材２２は、第１実施形態のものより高さ方向の厚みＴが大きく形成されている。

【0046】

樹脂部材２２には、上面に開口するＶ字状の溝２７が形成されている。この一方の溝２７の傾斜面によってミラー４０が形成されている。ミラー４０は、レンズ２３の真上位置に配置され、レンズ２３の光軸に対して４５度傾斜している。つまり、この第２実施形態では、導光部２４に光信号を反射するミラー４０が設けられ、ミラー４０によって光信号の光路が９０度変更される。導光部２４は、レンズ２３と樹脂部材２２の一つの側面との間の樹脂部分で形成されている。導光部２４の光路Ｃ（図１０（ａ）、図１２（ａ）に示す）は、レンズ２３の光軸に沿う直線経路とミラー４０によって９０度変更された直角経路からなる経路である。

【0047】

金属部材３０は、前記第１実施形態と同様に、上面プレート部３２と４つの側面プレート部３３を有する。上面プレート部３２には、第１実施形態のような光透過孔が設けられていない。その代わりに、上面プレート部３２には、樹脂部材２２のＶ字状の溝２７を形成するための方形状の孔３２ｂが形成されている。

【0048】

この第２実施形態では、遮蔽プレート部３１の上部の箇所が樹脂部材２２に埋設され、遮蔽プレート部３１の上部にあって、内部空間２１側の表面が樹脂部材２２で覆われている。第１実施形態のように、遮蔽プレート部３１の全体を樹脂部材２２で埋設しても良い。

【0049】

１つの側面プレート部３３には、光透過孔３３ａが設けられている。光透過孔３３ａの内部には、樹脂部材２２が充填されている。これにより、導光部２４における光路Ｃが確保されている。金属部材３０には、対向する２つの側面プレート部３３からのみ端子部３５が延設されている。つまり、第２実施形態では、端子部３５は、２箇所にのみ設けられている。

【0050】

この第２実施形態では、図９、図１０に示すように、光ハウジング２０の一方の側面に、光ファイバ４１の端末が接続されたＭＴフェルール４２が配置される。

【0051】

他の構成は、前記第１実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。図面の同一箇所には同一符号を付して明確化を図る。

【0052】

この第２実施形態においても、前記第１実施形態と同様の理由によって、機械的信頼性が向上し、光ハウジング２０の基板１０への接続信頼性が高い光モジュール１を提供できる。

【0053】

この第２実施形態に係る光モジュール１では、樹脂部材２２は、導光部２４に光信号を反射するミラー４０を有する。従って、レンズ２３の光軸以外の位置に、光ファイバ４１の接続位置を自由に設置できる。

【0054】

（第２実施形態の第１変形例）
第２実施形態の第１変形例に係る光モジュール１は、図１３、図１４に示されている。図１３、図１４に示すように、基板１０には２個の光電変換素子２が実装されている。光ハウジング２０の金属部材３０は、２個の光電変換素子２の間を仕切る仕切りプレート部３７を有する。ミラー４０は、２個の光電変換素子２への光信号をそれぞれ独立して変更できるサイズに形成されている。

【0055】

他の構成は、前記第２実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。図面の同一箇所には同一符号を付して明確化を図る。

【0056】

この第２実施形態の第１変形例に係る光モジュール１では、２個の光電変換素子２間のクロストークを低減できる。

【0057】

第２実施形態の第１変形例では、光電変換素子２が２個であるが、３個以上の光電変換素子２を配置する場合には各光電変換素子２をそれぞれ仕切るように仕切りプレート部３７を配置する。

【0058】

（第２実施形態の第２変形例）
第２実施形態の第２変形例に係る光モジュール１は、図１５に示されている。図１５に示すように、基板１０には、複数の位置決め孔１４が設けられている。金属部材３０には、各位置決め孔１４に挿入される複数の位置決めピン３６が設けられている。

【0059】

他の構成は、前記第２実施形態と同様であるため、重複説明を省略する。図面の同一箇所には同一符号を付して明確化を図る。

【0060】

この第２実施形態の第２変形例に係る光モジュール１では、光ハウジング２０が基板１０の適正な位置に位置決めされるため、基板１０に実装された光電変換素子２と光ハウジング２０のレンズ２３との位置決めを容易に、且つ、正確に行うことができる。また、パッシブアライメントでの実装が可能となるため、低コスト化できる。

【0061】

（変形例）
各実施形態及びその変形例では、光ハウジング２０の金属部材３０を基板１０に半田で固定したが、ＹＡＧレーザ等によるレーザ溶接、レーザークラッディング（肉盛り溶接）等によって固定しても良い。

【0062】

各実施形態及びその変形例では、金属部材３０には少なくとも光透過孔３２ａを設ける必要があるが、電磁ノイズの低減が可能であれば、金属部材３０には適宜に孔や隙間を設けても良い。又、金属部材３０は、ＥＭＣ特性（電磁両立特性）によってはメッシュ状のものを用いても良い。

【0063】

以上、本実施形態を説明したが、本実施形態はこれらに限定されるものではなく、本実施形態の要旨の範囲内で種々の変更が可能である。

【符号の説明】

【0064】

１ 光モジュール
２ 光電変換素子
１０ 基板
１４ 位置決め孔
２０ 光ハウジング
２１ 内部空間
２２ 樹脂部材
２３ レンズ
２４ 導光部
２５ スリーブ
３０ 金属部材
３１ 遮蔽プレート部
３５ 端子部
３６ 位置決めピン
３７ 仕切りプレート部
４０ ミラー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】