(57)【要約】【課題】半導体光素子の設置における調芯を不要とする光モジュールを提供する。【解決手段】光モジュール１０によれば、レーザダイオード（以下「ＬＤ」という）４２から出射された光はボールレンズ４４により平行光に変換され、ボールレンズ２６を介して光ファイバ１００のコア１０４に集光する。このように、ボールレンズ４４と２６との間を通過する光が平行光になるため、ボールレンズ４４の光軸とボールレンズ２６の光軸との間の軸ずれは補正される。これにより、フェルール１０２とスリーブ１４との嵌合等を原因として光ファイバ１００の光軸とＬＤ４２の光軸との間に軸ずれが生じても、ＬＤ４２から出射された光を光ファイバ１００のコア１０２に集光させることが可能になる。したがって、半導体光デバイス２８、すなわちＬＤ４２をハウジング１２内に設置する際の調芯が不要になる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバと光学的接続される半導体光素子上に第１のレンズを設けてなる半導体光デバイスと、
前記半導体光素子と前記光ファイバとが光学的接続される際の光路上において前記第１のレンズと前記光ファイバのコアとの間に設けられ、前記光ファイバの前記コアに焦点が位置する第２のレンズと、
前記半導体光デバイス及び前記第２のレンズを収容すると共に、前記光ファイバのフェルールが嵌合するスリーブを有するハウジングとを備えたことを特徴とする光モジュール。
【請求項２】
前記ハウジングは樹脂により一体成型されることを特徴とする請求項１に記載の光モジュール。
【請求項３】
前記第２のレンズはボールレンズであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光モジュール。
【請求項４】
前記半導体光素子は発光素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光モジュール。
【請求項５】
前記半導体光素子は受光素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光モジュール。
【請求項６】
前記半導体光素子は光導波路素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に光通信に用いられ、半導体光素子と光ファイバとを光学的接続する光モジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体光素子と光ファイバとを光学的接続する光モジュールとしては、例えば特開平８−２３４０５８号公報に記載されたものが知られている。この公報に記載の光モジュールは、ケース内において、光ファイバのフェルールが嵌合するスリーブを半導体光素子の光軸上にセルフォックレンズ等を介して設けたものである。このような光モジュールにおいては、ＵＶ硬化樹脂等を用いてケースに半導体光素子を固定する際に次のような調芯が行われる。すなわち、半導体光素子が発光素子の場合は、光ファイバを接続した状態で発光素子を発光させ、光ファイバに入射した光をモニタしながら発光素子をケースに対して相対移動させ、所定の出力が得られた位置で発光素子の固定を行う。同様に、半導体光素子が受光素子の場合は、受光素子に入射した光をモニタしながら受光素子をケースに対して相対移動させることによって受光素子の固定を行う。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような光モジュールにあっては、調芯専用の装置が必要であり、しかも、調芯に長時間を要するため、光モジュールの低コスト化が妨げられていた。
【０００４】
そこで、本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、半導体光素子の設置における調芯を不要とする光モジュールを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る光モジュールは、光ファイバと光学的接続される半導体光素子上に第１のレンズを設けてなる半導体光デバイスと、半導体光素子と光ファイバとが光学的接続される際の光路上において第１のレンズと光ファイバのコアとの間に設けられ、光ファイバのコアに焦点が位置する第２のレンズと、半導体光デバイス及び第２のレンズを収容すると共に、光ファイバのフェルールが嵌合するスリーブを有するハウジングとを備えたことを特徴とする。
【０００６】
本発明に係る光モジュールによれば、半導体光素子がレーザダイオード等の発光素子の場合は、発光素子から出射された光は第１のレンズにより平行光（略平行光を含む。以下同じ）に変換され、第２のレンズを介して光ファイバのコアに集光する。このように、第１のレンズと第２のレンズとの間を通過する光が平行光になるため、第１のレンズの光軸と第２のレンズの光軸との間の軸ずれは補正される。これにより、フェルールとスリーブとの嵌合等を原因として光ファイバの光軸と発光素子の光軸との間に軸ずれが生じても、発光素子から出射された光を光ファイバのコアに集光させることが可能になる。一方、半導体光素子がフォトダイオード等の受光素子の場合は、光ファイバから出射された光は第２のレンズにより平行光に変換され、第１のレンズを介して受光素子に集光する。したがって、半導体光素子が発光素子の場合と同様に、フェルールとスリーブとの嵌合等を原因として光ファイバの光軸と受光素子の光軸との間に軸ずれが生じても、光ファイバから出射された光を受光素子に集光させることが可能になる。以上により、半導体光素子が発光素子或いは受光素子のいずれの場合であっても、半導体光デバイス、すなわち半導体光素子をハウジング内に設置する際の調芯が不要になり、光モジュールの低コスト化を図ることが可能になる。更に、光ファイバとハウジングとの接続にフェルールとスリーブとの嵌合という簡易な構成を適用することが可能になる。
【０００７】
本発明に係る光モジュールにおいて、ハウジングは樹脂により一体成型されることが好ましい。これにより、高い精度で効率良くハウジングを形成することができる。
【０００８】
また、本発明に係る光モジュールにおいて、第２のレンズはボールレンズであることが好ましい。これにより、レンズの光軸の傾きを考慮する必要がないため、第２のレンズをハウジング内に容易に設置することができる。
【０００９】
なお、本発明に係る光モジュールにおいては、半導体光素子として、上述の発光素子や受光素子、或いは光導波路素子が適用可能である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る光モジュールの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１１】
図１に示すように、光モジュール１０は、エポキシ樹脂により一体成型されたハウジング１２を有している。ハウジング１２の一端には、光ファイバ１００のフェルール１０２が嵌合するスリーブ１４が形成されており、スリーブ１４内部の底面１４ａは、フェルール端面１０２ａが当接するフェルールストッパとして機能する。なお、光ファイバ１００は、光通信用のマルチモード光ファイバであり、コア径φ５０μｍのコア１０４を有している。
【００１２】
一方、ハウジング１２の他端には、断面円形の凹部１６が形成されている。凹部１６の開口側には、凹部１６より大きい径を有する断面円形の大径凹部１８が形成され、この大径凹部１８の開口部には内面取り２０が施されている。また、凹部１６の底面１６ａには、凹部１６より小さい径を有する断面円形の小径凹部２２が形成され、この小径凹部２２の底面２２ａとスリーブ１４内部の底面１４ａとの間には、光通過孔２４が形成されている。
【００１３】
このハウジング１２において、大径凹部１８の中心軸線と小径凹部２２の中心軸線とは、スリーブ１４の中心軸線に対して同心度±５μｍであり、大径凹部１８の底面１８ａと小径凹部２２の底面２２ａとは、スリーブ１４内部の底面１４ａに対して平行度±５μｍである。上述のようにハウジング１２はエポキシ樹脂による一体成型品であるため、このような高い精度で効率良く形成することが可能になる。なお、ハウジング１２の一体成型に、ステンレス鋼等を用いたＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ　Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　Ｍｏｌｄ）技術を適用してもよい。
【００１４】
ハウジング１２の小径凹部２２内には、ＢＫ−７により形成された直径φ１．２ｍｍのボールレンズ（第２のレンズ）２６が圧入されている。このボールレンズ２６の圧入は、レンズの光軸の傾きを考慮する必要がないため容易に行うことが可能である。ボールレンズ２６は、焦点距離（レンズ中心と焦点との距離）が８８０μｍであり、ボールレンズ２６の周面と光通過孔２４の小径凹部２２側の開口縁部との当接によって、スリーブ１４の底面１４ａから８８０μｍの位置にボールレンズ２６の中心が位置決めされる。すなわち、光ファイバ１００のフェルール端面１０２ａにおけるコア１０４にボールレンズ２６の焦点が位置することになる。
【００１５】
ハウジング１２において凹部１６と大径凹部１８とにより形成された空間には、半導体光デバイス２８が収容されている。半導体光デバイス２８は、コバールにより円板状に形成されたステム３０を有しており、ステム３０の一端面３０ａには、光透過窓３２が設けられたコバール製のキャップ３４が抵抗溶接により気密に固定されている。また、ステム３０の他端面３０ｂからは、電気的接続用の複数本のリード３６が外方側に延びている。半導体光デバイス２８のハウジング１２への収容においては、ステム３０の一端面３０ａが大径凹部１８の底面１８ａに当接するまでステム３０が大径凹部１８内に圧入され、これにより、キャップ３２が凹部１６内に配置される。このステム３０の圧入は、大径凹部１８の開口部に内面取り２０が設けられているため容易に行うことが可能である。
【００１６】
なお、ステム３０の大径凹部１８への圧入後、大径凹部１８の残余空間にはＵＶ硬化樹脂等の樹脂３８が充填され、ステム３０が大径凹部１８に接着される。これは、半田付け等による応力がリード３６に加わった際に、半導体光素子２８がハウジング１２に対して位置ずれするのを防止するためである。
【００１７】
半導体光デバイス２８のキャップ３４内の気密空間において、ステム３０の一端面３０ａ上には、モニタ用フォトダイオード４０がダイボンドされ、このモニタ用フォトダイオード４０上には、面発光のレーザダイオード（発光素子）４２がダイボンドされている。更に、レーザダイオード４２上には、直径φ６１０μｍ，屈折率１．９，焦点距離３１８μｍのボールレンズ（第１のレンズ）４４がダイボンドされている。
【００１８】
一般に、このような半導体光デバイス２８においては、ステム３０の中心軸線とレーザダイオード４２の光軸との間の軸ずれを±５０μｍ以下で構成することができる。また、ボールレンズ４４のダイボンドは、エッチングによりレーザダイオード４２上に形成された凹状のレンズガイド（図示しない）を介して行われる。したがって、レーザダイオード４２の光軸とボールレンズ４４の光軸との間の軸ずれは無視できるほど小さく、これにより、ボールレンズ４４の焦点は、レーザダイオード４２の発光部に正確に位置決めされる。
【００１９】
以上のように構成された光モジュール１０による半導体光デバイス２８のレーザダイオード４２と光ファイバ１００との光学的接続について説明する。
【００２０】
なお、光モジュール１０における光の全体的な流れは次の通りである。すなわち、半導体光デバイス２８のレーザダイオード４２から出射された光は、ボールレンズ４４の焦点がレーザダイオード４２の発光部に位置しているため、ボールレンズ４４により平行光に変換される。この平行光は、キャップ３４に設けられた光透過窓３２を通ってボールレンズ２６に入射する。ボールレンズ２６に入射した平行光は、ボールレンズ２６により集光され、ハウジング１２に設けられた光通過孔２４を通って光ファイバ１００のフェルール端面１０２ａにおけるコア１０４（ボールレンズ２６の焦点の位置）に集光する。
【００２１】
ここで、レーザダイオード４２のビーム広がり半角を９°とすると、ボールレンズ４４の焦点距離が３１８μｍであるから、ボールレンズ４４により変換された平行光のビームサイズはφ１００μｍ（＝３１８μｍ×ｔａｎ９°×２）となる。一方、光ファイバ１００における開口数は０．２であり、ボールレンズ２６の焦点距離は８８０μｍである。これにより、ボールレンズ４４により変換された平行光が、ボールレンズ２６のレンズ中心から±１７６μｍ（＝８８０μｍ×０．２）の範囲内に入射すれば、光ファイバ１００のフェルール端面１０２ａにおけるコア１０４への集光が可能になる。
【００２２】
そして、半導体光デバイス２８のステム３０の圧入によるステム３０の中心軸線と大径凹部１８の中心軸線との間の軸ずれは最大１０μｍであり、ボールレンズ２６の圧入によるボールレンズ２６の光軸と小径凹部２２の中心軸線との間の軸ずれは最大１０μｍである。更に、半導体光デバイス２８において、ステム３０の中心軸線とレーザダイオード４２の光軸との間の軸ずれは最大５０μｍである。これにより、ボールレンズ４４と２６との間における平行光の光軸に直角な方向の位置ずれは、平行光のビームサイズがφ１００μｍであるから最大１２０μｍ（＝１００μｍ／２＋１０μｍ＋１０μｍ＋５０μｍ）となる。したがって、ボールレンズ２６のレンズ中心から±１７６μｍの範囲内に平行光は入射可能であり、これにより、光ファイバ１００のフェルール端面１０２ａにおけるコア１０４への集光が可能になる。
【００２３】
ところで、スリーブ１４の内径精度±５μｍを考慮すると、ハウジング１２における同心度が±５μｍであり、平行度が±５μｍであるから、光ファイバ１００の光軸とボールレンズ２６の光軸との間の軸ずれは最大１５μｍ（＝５μｍ＋５μｍ＋５μｍ）となる。これは、ボールレンズ２６により集光された光の光軸に直角な方向の位置ずれとなって現れる。そして、ボールレンズ２６の焦点位置における像倍率は、ボールレンズ２６と４４との焦点距離の比から２．５倍（＝８８０μｍ／３１８μｍ）となる。これにより、レーザダイオード４２のビームサイズの半径を２μｍとすると、ボールレンズ２６の焦点位置における像のサイズは５μｍ（＝２μｍ×２．５）となる。したがって、光ファイバ１００の光軸とボールレンズ２６の光軸との間の軸ずれと合わせても位置ずれは最大２０μｍ（＝１５μｍ＋５μｍ）であるため、コア径φ５０μｍの光ファイバ１００への入射が可能になる。
【００２４】
以上のように、光モジュール１０によれば、ボールレンズ４４と２６との間を通過する光が平行光になるため、ボールレンズ４４の光軸とボールレンズ２６の光軸との間の軸ずれは補正される。これにより、フェルール１０２とスリーブ１４との嵌合等を原因として光ファイバ１００の光軸とレーザダイオード４２の光軸との間に軸ずれが生じても、レーザダイオード４２から出射された光を光ファイバ１００のフェルール端面１０２ａにおけるコア１０４に集光させることが可能になる。したがって、半導体光デバイス２８をハウジング１２内に設置する際に調芯を行わなくても、レーザダイオード４２と光ファイバ１００との光学的接続を実現することができ、これにより、光モジュール１０の低コスト化を図ることが可能になる。
【００２５】
次に、本発明に係る光モジュールの他の実施形態について、図面を参照して説明する。本発明に係る光モジュールにおいては、半導体光デバイスとして、フォトダイオード等の受光素子を有するものや、或いは光導波路素子を有するものも適用可能である。図２に示す光モジュール５０は、フォトダイオード５２を有する半導体光デバイス５４を適用したものである。なお、以下の説明において、上記実施形態と同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２６】
図２に示すように、光モジュール５０においては、フォトダイオード（受光素子）５２を有する半導体光デバイス５４がハウジング１２内に収容されている。半導体光デバイス５４のキャップ３４内の気密空間において、ステム３０の一端面３０ａ上には、サブマウント５６がダイボンドされ、このサブマウント５６上にフォトダイオード５２がダイボンドされている。更に、フォトダイオード５２上には、直径φ６１０μｍ，屈折率１．９，焦点距離３１８μｍのボールレンズ４４がダイボンドされている。
【００２７】
このような半導体光デバイス５４においても、上述の半導体光デバイス２８と同様に、ステム３０の中心軸線とフォトダイオード５２の光軸との間の軸ずれを±５０μｍ以下で構成することができる。また、ボールレンズ４４のダイボンドは、半導体プロセスにおいてフォトダイオード５２上に設けられたポリイミドのレンズガイド（図示しない）を介して行われる。したがって、フォトダイオード５２の光軸とボールレンズ４４の光軸との間の軸ずれは無視できるほど小さく、これにより、ボールレンズ４４の焦点は、フォトダイオード５２の受光部に正確に位置決めされる。
【００２８】
以上のように構成された光モジュール５０による半導体光デバイス５４のフォトダイオード５２と光ファイバ１００との光学的接続について説明する。
【００２９】
なお、光モジュール５０における光の全体的な流れは次の通りである。すなわち、光ファイバ１００から出射された光は、ハウジング１２に設けられた光通過孔２４を通ってボールレンズ２６に入射する。ボールレンズ２６に入射した光は、ボールレンズ２６の焦点が光ファイバ１００のフェルール端面１０２ａにおけるコア１０４に位置しているため、ボールレンズ２６により平行光に変換される。この平行光は、キャップ３４に設けられた光透過窓３２を通ってボールレンズ４４に入射する。ボールレンズ４４に入射した平行光は、ボールレンズ４４により集光され、フォトダイオード５２の受光部（ボールレンズ４４の焦点の位置）に集光する。
【００３０】
光モジュール５０においては、直径φ１ｍｍ，焦点距離７３４μｍのボールレンズ２６を用いたため、光ファイバ１００における開口数０．２を考慮すると、ボールレンズ２６により変換された平行光のビームサイズはφ２９４μｍ（＝７３４μｍ×０．２×２）となる。ところで、スリーブ１４の内径精度±５μｍを考慮すると、ハウジング１２における同心度が±５μｍであり、平行度が±５μｍであるから、光ファイバ１００の光軸とボールレンズ２６の光軸との間の軸ずれは最大１５μｍ（＝５μｍ＋５μｍ＋５μｍ）となる。この軸ずれにより、フォトダイオード４２における光軸に直角な方向の位置ずれは４０μｍ（＝１５μｍ／７３４μｍ×２０００μｍ（ボールレンズ２６のレンズ中心とフォトダイオード４２との距離））となる。
【００３１】
したがって、半導体光デバイス５４におけるステム３０の中心軸線とフォトダイオード５２の光軸との間の最大５０μｍの軸ずれと、ステム３０の圧入によるステム３０の中心軸線と大径凹部１８の中心軸線との間の最大１０μｍの軸ずれとを考慮すると、ボールレンズ２６と４４との間における平行光の光軸に直角な方向の位置ずれは、平行光のビームサイズがφ２９４μｍであるから最大２４７μｍ（＝２９４μｍ／２＋４０μｍ＋５０μｍ＋１０μｍ）となる。半導体光デバイス５４のボールレンズ４４は直径φ６１０μｍであるため、ボールレンズ４４のレンズ中心から±２４７μｍの範囲内の平行光を集光することは可能である。
【００３２】
なお、この場合は、ボールレンズ４４の端部を用いることになるため、収差の問題が懸念されるが、フォトダイオード５２の受光部のサイズをφ１００μｍ程度に大きくすれば（φ１００μｍの受光部でも１〜２Ｇｂｐｓの動作が可能であり、光通信用として適用可能である。）、収差の問題を解決してフォトダイオード５２の受光部への集光が可能になる。また、フォトダイオード５２の受光部上における像倍率は、ボールレンズ４４と２６との焦点距離の比から０．４倍（＝３１８μｍ／７３４μｍ）であり、すなわち縮小系であることから、像変換の影響は無視することができる。
【００３３】
以上のように、光モジュール５０によれば、ボールレンズ２６と４４との間を通過する光が平行光になるため、ボールレンズ２６の光軸とボールレンズ４４の光軸との間の軸ずれは補正される。これにより、フェルール１０２とスリーブ１４との嵌合等を原因として光ファイバ１００の光軸とフォトダイオード５２の光軸との間に軸ずれが生じても、光ファイバ１００から出射された光をフォトダイオード５２の受光部に集光させることが可能になる。したがって、半導体光デバイス５４をハウジング１２内に設置する際に調芯を行わなくても、フォトダイオード５２と光ファイバ１００との光学的接続を実現することができ、これにより、光モジュール５０の低コスト化を図ることが可能になる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る光モジュールは、光ファイバと光学的接続される半導体光素子上に第１のレンズを設けてなる半導体光デバイスと、半導体光素子と光ファイバとが光学的接続される際の光路上において第１のレンズと光ファイバのコアとの間に設けられ、光ファイバのコアに焦点が位置する第２のレンズと、半導体光デバイス及び第２のレンズを収容すると共に、光ファイバのフェルールが嵌合するスリーブを有するハウジングとを備えたことを特徴とすることによって、半導体光素子の設置における調芯が不要になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光モジュールの一実施形態を示す図である。
【図２】本発明に係る光モジュールの他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１０，５０…光モジュール、１２…ハウジング、１４…スリーブ、２６…ボールレンズ（第２のレンズ）、２８，５４…半導体光デバイス、４２…レーザダイオード（発光素子）、４４…ボールレンズ（第１のレンズ）、５２…フォトダイオード（受光素子）、１００…光ファイバ、１０２…フェルール、１０４…コア。
【図１】
2004020851.tif 000003
【図２】
2004020851.tif 000004